Bakteriel cellulosenedbrydningssystem kunne sætte skub i produktionen af ​​biobrændstoffer

Bestræbelser på at finde måder at nedbryde cellulose - de hårde ting, der udgør plantecellevægge - hurtigere og mere produktivt har længe været et mål for industriforskere.

Når planter forarbejdes til biobrændstoffer eller andre biomasseanvendelser, cellulose skal først nedbrydes til enklere sukkermolekyler, og dette trin kan repræsentere op til en fjerdedel af drifts- og kapitalomkostningerne ved produktion af biobrændstoffer. Hvis denne proces kan gøres hurtigere og mere produktiv, det vil ikke kun spare industriens penge, men sådanne effektivitetsgevinster kan også reducere produktionens miljøpåvirkning.

Cellulosemolekyler binder meget stærkt til hinanden, gør cellulose meget svær at nedbryde. Nogle svampe er i stand til at nedbryde det, imidlertid, og deres cellulosenedbrydningssystemer er velkendte.

Svampe producerer mange typer cellulaser - enzymer, der fremskynder den kemiske reaktion, der nedbryder cellulose. Og sådanne svampe har været meget udbredt i industrien af ​​denne grund. For eksempel, svampen Trichoderma reesei -opdaget under Anden Verdenskrig i Stillehavet som et resultat af dets tæring af telte og tøj - bruges i produktionen af ​​stenvaskede jeans. Cellobiohydrolase , en type cellulase, som svampen producerer, nedbryder cellulose til cellobiose, et simpelt sukker, der er lettere at bruge af organismer. Dette forringer let denim -materialet nogle steder, hvilket igen blødgør det – så det ser ud som om det er vasket med sten – og gør det mere behageligt at have på.

Men der er en anden type cellulose -nedbrydningssystem, der bruges af nogle bakterier, og som på mange måder ligner den, der bruges af denne svamp. Men dette system er ikke blevet særlig godt forstået før nu. I et papir i Journal of Biological Chemistry den 18. august, forskere fra Japans Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences (IMS, NINS) har endelig beskrevet dette system i detaljer på enkeltmolekylniveau.

Den type cellobiohydrolase, der produceres af bakterien Cellulomonas fimi har et lignende katalytisk domæne som cellobiohydrolasen produceret af T. reesei . Et enzyms katalytiske domæne er dets område, der interagerer med et molekyle, som det ønsker at ændre eller nedbryde (for at forårsage den enzymatiske reaktion). Både svampen og bakteriernes cellulosenedbrydningssystem udviser også lignende hydrolytisk aktivitet (den måde, hvorpå de bruger vand til at nedbryde cellulosens kemiske bindinger).

Men de to systemer har forskellige kulhydratbindende moduler (den række af proteiner i enzymet, der binder til kulhydraterne i cellulosen) og hvad man kalder "linkere", i det væsentlige den del af enzymet, der forbinder det katalytiske domæne til de kulhydratbindende moduler.

I tidligere forskning, NINS -forskerne havde allerede fastslået, at strukturen af ​​linkerregionen i svampen cellobiohydrolase spillede en afgørende rolle for, hvor hurtigt enzymet binder til cellulose (og dermed hvor hurtigt systemet nedbryder cellulose).

"Så de oplagte næste spørgsmål var:Selvom disse andre dele af bakteriens cellobiohydrolase er forskellige fra svampens, gør de alligevel noget lignende?" sagde Akihiko Nakamura og Ryota Iino, forskerne på holdet. "Fremskynder de også nedbrydning af cellulose?"

De fandt ud af, at de gør. Forskerne brugte enkeltmolekyle fluorescensbilleddannelse - en avanceret metode til mikroskopi, der leverer billeder af levende celler med en opløsning på kun 100 nanometer - til at observere bakteriens cellobiohydrolase, der binder til og dissocierer fra cellulosemolekyler.

Dette gjorde det muligt for dem at tydeliggøre funktionerne i de forskellige dele af cellulosedegradationssystemet. De fandt ud af, at kulhydratbindende moduler faktisk var vigtige for den indledende binding, men den rolle, som linkerregionen spillede, var ret lille.

Imidlertid, de fandt ud af, at det katalytiske domæne alligevel ikke var så ens. Dens struktur viste længere sløjfer ved indgangen og udgangen af ​​en "tunnel" i hjertet af systemet sammenlignet med svampens. Og denne forskel i tunnelstrukturen resulterer i højere processivitet - et enzyms evne til at udløse flere på hinanden følgende reaktioner.

De næste trin vil være at konstruere disse bakterielle cellulosenedbrydende enzymer til at nedbryde cellulose hurtigere.