Разрушение связей: новая надежда для биотоплива из биомассы

Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории обнаружили потенциальное слабое место в структуре волокон, которые делают клеточные стенки некоторых несъедобных растительных материалов такими прочными. Это открытие в конечном итоге может привести к экономически эффективной и энергоэффективной стратегии превращения биомассы в альтернативное топливо.

В отдельных статьях, опубликованных в Biophysical Journal и ранее в Biomacromolecules, исследователи определили потенциальные слабости в слоях молекул целлюлозы, составляющих лигноцеллюлозную биомассу — несъедобный волокнистый материал из клеточных стенок растений. Этот материал является потенциально обильным источником сахара, который можно использовать для производства метанола или бутанола, перспективных в качестве биотоплива.

Целлюлоза биосинтезируется в растительных клетках, когда молекулы глюкозы соединяются в длинные цепи (полимеризация). Затем растение собирает эти цепи в листы. Листы удерживаются вместе водородными связями — электростатическим притяжением между положительной и отрицательной частями соседних молекул. Далее листы складываются в стопки, скрепляясь другими, более слабыми типами взаимодействий. Растение затем скручивает эти листы в волокна высокой прочности на разрыв.

Эти волокна не только невероятно прочны, но и чрезвычайно устойчивы к действию ферментов целлюлаз, способных расщепить волокна обратно на простые сахара. Возможность экономичного и легкого расщепления целлюлозы на сахара желательна, так как сахара можно использовать для создания альтернативного топлива. Однако из-за прочности целлюлозных волокон в США в настоящее время отсутствует энергоэффективный и рентабельный метод превращения несъедобной биомассы (например, проса прутьевидного или кукурузной шелухи) в источник биотоплива.

В сотрудничестве с исследователями из Министерства сельского хозяйства США и Центра исследований растительных макромолекул во Франции, Пол Ланган из Лос-Аламоса использовал нейтроны для исследования кристаллической структуры высококристаллической целлюлозы (аналогично рентгеновскому анализу). Они обнаружили, что хотя целлюлоза в целом имеет упорядоченную сеть водородных связей, материал также демонстрирует значительную долю неупорядоченности, создавая другой тип сети водородных связей на определенных поверхностях. Эти различия делают молекулу потенциально уязвимой для атаки ферментов целлюлаз.

Кроме того, в статье в Biophysical Journal Тонг Шен и Гнана Гнанакаран описывают новую решеточную модель кристаллической целлюлозы. Модель предсказывает, как водородные связи в целлюлозе могут перестраиваться, оставаясь стабильными в широком диапазоне температур. Эта пластичность позволяет материалу менять типы водородных связей, но также ограничивает молекулы, заставляя их формировать связи в более слабой конфигурации, описанной Ланганом и коллегами. Важнее всего, что модель Шена и Гнанакарана идентифицирует водородные связи, которыми можно манипулировать с помощью перепадов температур, чтобы потенциально сделать материал более восприимчивым к атаке ферментов, расщепляющих волокна на сахара.

«Мы смогли определить слабое место в броне очень жесткого и достойного противника — целлюлозного волокна», — сказал Гнанакаран, руководитель теоретической части большого междисциплинарного проекта по биотопливу в Лос-Аламосе.

«Эти результаты — одни из первых в работе этой команды, и в конечном итоге они могут указать нам путь к экономически жизнеспособному процессу производства биотоплива из целлюлозной биомассы», — добавляет Ланган, директор проекта по биотопливу.