Nedbrydning af genstridig cellulose i timelapse

Forskere ved TU Graz i Østrig er for første gang nogensinde lykkedes at visualisere processerne involveret i en biologisk nanomaskine på enkeltmolekylet niveau, kendt som cellulosomet, da det nedbryder krystallinsk cellulose. Den således opnåede grundlæggende indsigt kunne understøtte bæredygtige begreber inden for celluloseudnyttelse for at få et gennembrud inden for industriel bioteknologi.

Plantekomponenten cellulose er ekstremt modstandsdygtig, vanduopløselig polymer, der er vanskelig at nedbryde. Dette vanskeliggør effektiv og bæredygtig anvendelse af plantebiomasse i bioraffinaderier. "Først når der er bæredygtige og omkostningseffektive metoder til nedbrydning af cellulose, begynder vi at producere brændstoffer, kemikalier og materialer i stor skala fra plantebiomasse, "forklarer Bernd Nidetzky, bioteknolog og leder af Institut for Bioteknologi og Biokemisk Teknik ved TU Graz.

Cellulose nedbrydning i naturen

I naturen, den biologiske nedbrydning af cellulose sker enten gennem cellulaser eller gennem cellulosomer. Cellulaser er enzymer, der adskiller sig i deres specificitet og virkningsmåde og er synergistisk involveret i nedbrydning af cellulose fra træagtige planter som træer eller buske. Selvom individuelle cellulaser kan være placeret i nærheden af ​​hinanden, de er individuelle, fysisk uafhængige enheder. Et cellulosom, på den anden side, er et proteinkompleks, en ordnet og fysisk sammenkoblet samling af enzymer, der er nødvendige for nedbrydning af cellulose.

Bernd Nidetzky og hans team har sat sig til opgave at bedre forstå og visualisere cellulosomer som i det væsentlige cellulose-nedbrydende biologiske nanomaskiner. Forskerne har nu taget et afgørende skridt mod dette mål i et østrigsk videnskabsfond (FWF) -støttet projekt. De var i stand til at visualisere et cellulosom på enkeltmolekylniveau under cellulosededgradering ved hjælp af time-lapse atomkraftmikroskopi og dermed få indsigt i dets funktionsmåde. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet ACS Central Science .

Nanomaskiner på arbejde

Helt konkret, forskerne dokumenterer nedbrydning af cellulose ved hjælp af et cellulosom fra bakterien Clostridium thermocellum. Det er vist, at cellulosomet dynamisk tilpasser sig cellulosens forskellige overfladebetingelser. "Ved binding til cellulose, cellulosomet skifter til langstrakt, selv trådlignende former og omdanner dem dynamisk på en tidsskala på mindre end et minut i henhold til kravene i den angrebne celluloseoverflade. Sammenlignet med cellulaser, som løsner materiale, når det glider langs krystallinske celluloseoverflader, cellulosomer forbliver lokalt bundne i minutter og fjerner det underliggende materiale. Den deraf følgende ruhed af overfladen fører til effektiv nedbrydning af cellulose -nanokrystaller, ”forklarer Bernd Nidetzky.

Forventninger til bioraffinaderier

"Vores analyser viser, at cellulosomer er ekstremt effektive til at nedbryde cellulose. De kan derfor spille en central rolle i udviklingen af ​​nye tilgange til bioraffinaderier, "understregede Nidetzky. Ved at udnytte de forskellige virkningsmekanismer for enzymkomplekser i form af et cellulosom og frie enzymer, nedbrydning af cellulose kan udføres hurtigere, mere fuldstændigt og med mindre enzymbehov. Synergierne mellem nedbrydningsmekanismerne for cellulase og cellulosomer kunne således hjælpe med at designe hybridcellulasesystemer og give nye perspektiver for anvendelser i bioraffinaderier.