Cellulosa, som hjälper till att ge växternas cellväggar en stark struktur, lovar som ett förnybart råmaterial för biobränslen om forskare kan påskynda produktionsprocessen. Även om nedbrytningen av cellulosa är långsam och ineffektiv jämfört med nedbrytningen av andra biobränslematerial som majs, kan det undvika bekymmer angående användningen av matkällor samtidigt som man använder rikligt med växtmaterial som annars skulle gå till spillo. En ny studie ledd av forskare vid Penn State University avslöjar hur flera molekylära hinder bromsar denna process.
Teamets senaste forskning är Proceedings of the National Academy of Sciencesbeskriver den molekylära process genom vilken cellobios, ett disackaridfragment av cellulosa som produceras vid cellulosanedbrytning, täpper till rörledningen och förhindrar efterföljande cellulosanedbrytning.
Vill du ha fler senaste nyheter?
tillämpa tekniknätverk’Dagliga nyhetsbrevet. Få de senaste vetenskapsnyheterna direkt till din inkorg varje dag.
Prenumerera gratis
Biobränsleproduktion bygger på att bryta ner föreningar som stärkelse och cellulosa till glukos, som effektivt kan fermenteras till etanol, som kan användas som bränsle eller omvandlas till andra användbara material Majoriteten av biobränslen på marknaden idag är gjorda av majs, delvis för att majsstärkelse lätt bryts ner, säger forskare.
”Det finns flera bekymmer med att använda majs som en biobränslekälla, inklusive konkurrens med världens livsmedelsförsörjning och den stora mängden växthusgaser som produceras när majsbaserad etanol produceras”, säger Eberly College vid Pennsylvania State University . Vetenskapsman och pappersförfattare. ”Ett lovande alternativ är att bryta ner cellulosa från oätliga delar av växter som majsstjälkar, annat växtavfall som skogsskräp och dedikerade grödor som potentiellt kan odlas på marginella marker En av de viktigaste faktorerna som hindrar den ekonomiska konkurrenskraften -kallad andra generationens biobränslen är att nuvarande processer för att bryta ner cellulosa är långsamma och ineffektiva.
Vi har använt relativt nya avbildningstekniker för att undersöka de molekylära mekanismer som bromsar denna process. ”
Cellulosa är sammansatt av kedjor av glukos som hålls i en kristallin struktur av vätebindningar. Forskare använder enzymer som kallas cellulaser, som kommer från svampar och bakterier, för att bryta ner växtmaterial och extrahera glukos från cellulosa. Men forskarna sa att cellulosas kristallina struktur, i kombination med andra föreningar som kallas xylan och lignin, som också finns i cellväggarna, utgör ytterligare utmaningar för cellulosanedbrytning. Konventionella tekniker har dock inte kunnat avslöja de specifika molekylära mekanismerna som ligger bakom dessa hastighetsreduktioner.
För att undersöka dessa oklara mekanismer märkte forskare kemiskt enskilda cellulaser med fluorescerande markörer. Teamet använde sedan Penn States SCATTIRSTORM-mikroskop, designat och byggt för just detta syfte, för att spåra molekyler genom varje steg i nedbrytningsprocessen, och använde beräkningsprocess och biokemisk modellering för att filma resultaten jag tolkade det.
”Konventionella metoder observerar nedbrytningsprocessen i stor skala, manipulerar på konstgjord väg enzymers position eller fångar bara molekyler i rörelse, så det är möjligt att missa delar av den naturligt förekommande processen.”, säger Will Hancock, professor i biomedicinsk teknik. vid University of Pennsylvania. Professor vid State Polytechnic University och författare till uppsatsen. ”Genom att använda SCATTIRSTORM-mikroskopet kan vi observera beteendet hos enskilda cellulasenzymer för att verkligen förstå vad som saktar ner denna process och generera nya idéer för att göra processen mer effektiv.”
Forskarna studerade specifikt effekterna av ett svampcellulasenzym som heter Cel7A. Som en del av nedbrytningsprocessen skickar Cel7A cellulosa till en typ av molekylär tunnel där den river den i små bitar.
”Cel7A flyttar glukoskedjan till ”framdörren” i tunneln, där kedjan klipps av och produkten kommer ut genom ”bakdörren” av pipelinen, typ”, säger Daguan Nong, biträdande professor i biomedicinsk teknik. Penn State Polytechnic Institute och huvudförfattare till uppsatsen. ”Vi vet inte exakt vad som händer inuti hur enzymet tunnlar glukoskedjorna, men det är möjligt att produkten som kommer ut genom bakdörren, cellobios, stör efterföljande bearbetning av cellulosan. Vi visste från tidigare forskning att det finns en molekyl. Nu vet jag mer om hur det stör. ”
Inne i tunneln hackar Cel7A cellulosa med upprepade enheter av glukos till fragment av disackariden cellobios. Forskarna fann att cellobios i lösning kan binda till tunnelns ”bakdörr”, i huvudsak blockera vägen och bromsa utgången av efterföljande cellobiosmolekyler. De upptäckte också att det kan binda till Cel7A nära ingången och hindra enzymet från att binda ytterligare cellulosa.
”Cellobios är mycket lik cellulosa, så det kanske inte är förvånande att små bitar kan hitta vägen in i tunnlarna,” säger Hancock. ”Nu när vi har en bättre förståelse för hur cellobios förstör saker och ting, kan vi utforska nya sätt att finjustera denna process. Till exempel, hur kan vi mer effektivt förhindra denna hämning. Fram- och bakdörrarna till tunneln kan vara?” förändrats, såväl som aspekter av Cel7A-enzymet, för att förbättra cellulasets prestanda. Under de senaste 20 åren har mycket forskning gjorts för att utveckla effektivare cellulasenzym. Detta är dock ett otroligt kraftfullt tillvägagångssätt och en djupare förståelse av molekylen mekanismer som begränsar cellulosanedbrytning kommer att hjälpa till att styra denna ansträngning.”
Studien bygger på det senaste arbetet av forskargruppen för att förstå andra hinder för nedbrytningsprocessen, xylan och lignin, nyligen publicerad i RSC Sustainability and Biotechnology for Biofuels and Bioproducts.
”Vi fann att xylan och lignin verkar på olika sätt för att hindra nedbrytningen av cellulosa,” säger Nelya Zexer, en postdoktor i biologi vid Penn State Eberly College of Science och huvudförfattare till RSC hållbarhetspapper. ”Xylan täcker cellulosan, vilket minskar andelen enzymer som binder till och flyttar cellulosa. Lignin hämmar enzymets förmåga att binda till cellulosa och dess rörelse, vilket minskar hastigheten och avståndet för enzymet.”
Även om det finns strategier för att ta bort komponenter som xylan och lignin från cellulosa, sa forskarna att ta bort cellobios är svårare. En metod använder ett andra enzym för att klyva cellobios, men detta tillför ytterligare kostnader och komplexitet till systemet.
”Omkring 50 cent per gallon av produktionskostnaden för bioetanol spenderas enbart på enzymer, så att minimera denna kostnad innebär att bioetanol från växtavfall kan ersättas med fossila bränslen eller majs. ”Det kommer att räcka långt när det gäller att bli mer konkurrenskraftig med etanol,” sa Anderson. ”Vi kommer att fortsätta att studera hur man manipulerar enzymer och hur de fungerar tillsammans, med målet att göra denna process så kostnadseffektiv och effektiv som möjligt.”
referens: Nong D, Haviland ZK, Zexer N et al. Spårning av enkel molekyl avslöjar dubbel framdörr/bakdörr hämning av produktens cellobios av Cel7A-cellulas. Proc Natl Acad Sci USA. 2024;121(18):e2322567121. doi: 10.1073/pnas.2322567121
Denna artikel har tryckts om från följande material: Obs: Material kan redigeras för längd och innehåll. Kontakta citatkällan för mer information.Du kan komma åt vår policy för publicering av pressmeddelanden här.
