Indsigt i enzymers 3D-struktur kan reducere omkostningerne til biobrændstof

Ved hjælp af neutronkrystallografi, et Los Alamos-forskerhold har kortlagt den tredimensionelle struktur af et protein, der nedbryder polysaccharider, såsom den fibrøse cellulose fra græsser og træagtige planter, et fund, der kunne hjælpe med at nedbringe omkostningerne ved at skabe biobrændstoffer. Forskningen fokuserede på en klasse af kobberafhængige enzymer kaldet lytiske polysaccharidmonooxygenaser (LPMO'er), som bakterier og svampe bruger til naturligt at nedbryde cellulose og nært beslægtede kitinbiopolymerer.

"På lang sigt, forståelse af mekanismen for denne klasse af proteiner kan føre til enzymer med forbedrede egenskaber, der gør produktion af ethanol i stigende grad økonomisk gennemførlig, " sagde Julian Chen, en Los Alamos National Laboratory-forsker, der deltog i forskningen.

Et multiinstitutionsteam brugte neutronspredningsanlægget ved Spallation Neutron Source (SNS) ved Oak Ridge National Laboratory og Advanced Light Source (ALS) synkrotronrøntgenkilden på Lawrence Berkeley National Laboratory til at studere LPMO. Både SNS og ALS er DOE Office of Science User Facilities.

Los Alamos Bioscience Divisions forskere Chen, Clifford Unkefer, og tidligere postdoktor John Bacik, arbejder med samarbejdspartnere på Oak Ridge National Laboratory, Lawrence Berkeley Laboratory, og Norges Biovidenskabelige Universitet, løst strukturen af ​​en kitin-nedbrydende LPMO fra bakterien Jonesia denitrificans (JdLPMO10A). Holdets resultater offentliggøres i tidsskriftet Biokemi .

En af de største udfordringer, biobrændstofforskere står over for, er at finde omkostningseffektive måder at adskille polysaccharider som stivelse og cellulose, som er vidt udbredt i planter, ind i deres underkomponent sukker til produktion af biobrændstoffer. LPMO enzymer, som ses som nøglen til denne proces, bruge en enkelt kobberion til at aktivere oxygen, et kritisk trin for enzymets katalytiske nedbrydende virkning.

Mens den specifikke mekanisme for LPMO-virkning forbliver usikker, det menes, at katalyse involverer initial dannelse af et superoxid ved elektronoverførsel fra den reducerede kobberion. Ved at forstå placeringen af ​​kobberionen og konstellationen af ​​atomer i nærheden af ​​den, forskerne håber at kunne belyse mere om enzymets funktion. At gøre dette, de er afhængige af først at bestemme enzymets struktur.

Selvom en række røntgenkrystallografiske strukturer i øjeblikket er tilgængelige for LPMO'er fra svampe- og bakteriearter, denne nye struktur er mere komplet. Efterforskerne brugte røntgenkrystallografi til at opløse den tredimensionelle struktur i klare detaljer af alle atomerne undtagen hydrogener, de mindste og mest rigelige atomer i proteiner. Hydrogenatompositioner er vigtige for at belyse funktionelle karakteristika af målproteinet og kan bedst visualiseres ved hjælp af en neutronkrystallografi. Efterforskerne brugte denne komplementære teknik, at bestemme den tredimensionelle struktur af LPMO, men fremhæver brintatomerne.

Især i denne undersøgelse er det krystalliserede LPMO-enzym blevet fanget i færd med at binde oxygen. Sammen med de seneste strukturer af LPMO'er fra en bred vifte af svampe- og bakteriearter, resultaterne af denne undersøgelse indikerer en fælles mekanisme til nedbrydning af cellulosebiomasse på trods af store forskelle i deres proteinsekvenser. Denne undersøgelse har fremmet indsigt i virkningsmekanismen for LPMO'er, især kobberionens rolle og arten af ​​involveringen af ​​oxygen.

Forskning i biobrændstoffer er en del af Los Alamos National Laboratorys missionsfokus på at integrere forsknings- og udviklingsløsninger for at opnå den maksimale indvirkning på strategiske nationale sikkerhedsprioriteter såsom nye energikilder.