Нацеливаясь на мутации для перепроектирования бактериальных ферментов, производящих биотопливо
Превращение волокнистых растительных отходов, таких как кукурузные стебли и древесная стружка, в ферментируемые простые сахара для производства биотоплива — сложный процесс. Бактерии должны расщеплять жёсткие листья, стебли и другую целлюлозную биомассу, устойчивую к деградации.
Повышение эффективности бактерий в этом процессе может привести к созданию более доступного биотоплива и устойчивых продуктов, таких как биопластики. Один из способов достичь этой цели — перепроектировать бактериальные ферментные комплексы, называемые целлюлосомами, которые служат катализаторами в процессе деградации.
Международный консорциум CellulosomePlus разрабатывает методы повышения эффективности этого сложного инженерного процесса, чтобы сделать его экономически целесообразным. Исследователи из Испании, Польши и Ирландии недавно сообщили о результатах одного из методов в The Journal of Chemical Physics.
Исследователи сосредоточились на бактерии Clostridium thermocellum (C. thermocellum). Способная напрямую превращать целлюлозу в этанол, особенно при повышенных температурах, эта бактерия вызывает большой интерес как оптимальный катализатор для биотоплива.
C. thermocellum обладает крупной целлюлосомой, которая расщепляет целлюлозу за счёт одновременного действия многих ферментов, в основном целлюлаз. Ферменты являются частями молекул, называемых докеринами, которые образуют нековалентные комплексы с различными белковыми доменами — когезиновыми доменами. Эти домены представляют собой соединённые сегменты скаффолдина — крупного белка, служащего основой целлюлосомы. Для функционирования целлюлосомы когезины должны быть механически прочными, а целлюлазы — эффективными ферментами.
«Один из способов создать лучшую целлюлосому — улучшить механическую стабильность когезинов типа I и перепроектировать целлюлазные единицы», — сказал Марек Цепляк, соавтор статьи, руководитель Лаборатории биологической физики Института физики Польской академии наук.
Исследователи нацелились на когезин c7A C. thermocellum, потому что он, по-видимому, подвергается более интенсивным механическим нагрузкам, чем другие когезины, и обладает исключительной механической стабильностью.
Был разработан вычислительный метод для определения точечных мутаций (замен отдельных аминокислот), которые приведут к большей механической, а также более высокой термодинамической стабильности. Используя расчёты на уровне всех атомов, исследователи идентифицировали мутации, систематически заменяя все аминокислоты либо на аланин, либо на фенилаланин.
«Один интересный результат заключается в том, что мутации оказывают неочевидное влияние на внутреннюю структуру белка и, следовательно, на стабильность», — сказал Матеуш Хвастык, также один из авторов публикации.
В частности, изменения в карте контактов (списке пар аминокислот, влияющих на конформационную динамику) могут быть нелокальными. Лучшие варианты были проверены экспериментально. Исследователи также обнаружили, что добавление дисульфидных связей, которые образуются между разными аминокислотами в белковой цепи, делает белок чрезвычайно устойчивым к растяжению.
«Наш теоретический метод, по-видимому, является допустимым приближением для скрининга эффектов мутаций на механическую и термическую стабильность белков», — сказал Цепляк.
Предложенный метод является универсальным, может применяться для множественных мутаций и в настоящее время используется для объяснения свойств бактерий, обитающих в экстремальных условиях.