På dit mærke, sæt dig - Neutroner driver enzymreaktivitet for bedre produktion af biobrændstof

At producere biobrændstoffer som ethanol fra plantematerialer kræver forskellige enzymer for at nedbryde cellulosefibrene. Forskere, der bruger neutronspredning, har identificeret de særlige kendetegn ved en enzymkatalyseret reaktion, der betydeligt kan reducere den samlede mængde enzymer, der bruges, forbedre produktionsprocesserne og sænke omkostningerne.

Forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og North Carolina State University brugte en kombination af røntgen- og neutronkrystallografi til at bestemme den detaljerede atomstruktur af et specialiseret svampeenzym. En dybere forståelse af enzymreaktiviteten kan også føre til forbedrede beregningsmodeller, der yderligere vil guide industrielle applikationer til renere energiformer. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Angewandte ChemieInternational Edition.

Del af en større familie kendt som lytiske polysaccharid monooxygenaser, eller LPMO'er, disse iltafhængige enzymer virker sammen med hydrolytiske enzymer - som kemisk nedbryder store komplekse molekyler med vand - ved at oxidere og bryde de bindinger, der holder cellulosekæderne sammen. De kombinerede enzymer kan fordøje biomasse hurtigere end de nuværende enzymer og fremskynde produktionen af ​​biobrændstof.

"Disse enzymer bruges allerede i industrielle applikationer, men de er ikke godt forstået, " sagde hovedforfatter Brad O'Dell, en kandidatstuderende fra NC State, der arbejder i Biology and Soft Matter Division i ORNL's Neutron Sciences Directorate. "Forståelse af hvert trin i LPMO's virkningsmekanisme vil hjælpe industrien med at bruge disse enzymer til deres fulde potentiale og, som resultat, gøre slutprodukter billigere."

I et LPMO-enzym, oxygen og cellulose ordner sig gennem en række trin, før biomassedekonstruktionsreaktionen indtræffer. Lidt ligesom "på dit mærke, sæt dig, gå, " siger O'Dell.

For bedre at forstå enzymets reaktionsmekanisme, O'Dell og medforfatter Flora Meilleur, ORNL instrument videnskabsmand og en lektor ved NC State, brugte IMAGINE neutronspredningsdiffraktometeret ved ORNL's High Flux Isotope Reactor for at se, hvordan enzym- og oxygenmolekylerne opførte sig i trinene op til reaktionen - fra "hviletilstand" til "aktiv tilstand."

Den hvilende tilstand, O'Dell siger, er der, hvor alle de kritiske komponenter i enzymet samles for at binde ilt og kulhydrat. Når elektroner leveres til enzymet, systemet bevæger sig fra hviletilstand til aktiv tilstand – dvs. fra "på dit mærke" til "bliv indstillet."

I aktiv tilstand, oxygen binder sig til en kobberion, der starter reaktionen. Hjælpet af røntgen- og neutrondiffraktion, O'Dell og Meilleur identificerede et hidtil uset iltmolekyle, der blev stabiliseret af en aminosyre, histidin 157.

Brint er et nøgleelement i aminosyrer som histidin 157. Fordi neutroner er særligt følsomme over for brintatomer, holdet var i stand til at bestemme, at histidin 157 spiller en væsentlig rolle i transporten af ​​oxygenmolekyler til kobberionen i det aktive sted, afslører en vital detalje om det første trin af den katalytiske LPMO-reaktion.

"Fordi neutroner tillader os at se brintatomer inde i enzymet, vi fik væsentlig information i at tyde proteinkemien. Uden disse data, rollen af ​​histidin 157 ville være forblevet uklar, " sagde Meilleur. "Neutroner var medvirkende til at bestemme, hvordan histidin 157 stabiliserer ilt for at starte det første trin af LPMO-reaktionsmekanismen."

Deres resultater blev efterfølgende bekræftet via kvantekemiske beregninger udført af medforfatter Pratul Agarwal fra ORNL's Computing and Computational Sciences Directorate.

Udarbejdelse af forskningsmateriale blev støttet af ORNL Center for Structural Molecular Biology. Røntgendata blev indsamlet ved Argonne National Laboratory Advanced Photon Source gennem adgang leveret af Southeast Regional Collaborative Access Team.

O'Dell siger, at deres resultater forfiner den nuværende forståelse af LPMO'er for videnskabs- og industriforskere.

"Dette er et stort skridt fremad i at afsløre, hvordan LPMO'er starter nedbrydningen af ​​kulhydrater, "O'Dell sagde. "Nu skal vi karakterisere enzymets aktiverede tilstand, når proteinet også er bundet til et kulhydrat, der efterligner cellulose. Så får vi chancen for at se, hvilke strukturelle ændringer der sker, når startpistolen affyres, og reaktionen tager fart."