Прорыв в изучении структуры биомассы поможет оптимизировать получение сахаров для биотоплива
Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США и Центра биоэнергетических наук (BESC) объединили различные методы микроскопической визуализации, чтобы лучше понять взаимосвязь между структурой клеточной стенки биомассы и её перевариваемостью ферментами. Этот прорыв может привести к оптимизации выхода сахаров и снижению стоимости производства биотоплива.
Исследование «Как наноразмерная архитектура растительной клеточной стенки коррелирует с ферментативной перевариваемостью?» опубликовано в текущем выпуске журнала Science.
Новый подход к визуализации
Руководитель исследования доктор Ши-Ю Дин из NREL сообщил, что технологии визуализации позволили междисциплинарной команде ученых наблюдать архитектуру растений в масштабах от миллиметра до нанометра — с разницей в 1 миллион раз.
Это позволило изучить не только структуру клеточной стенки, но и локализацию ферментов, ответственных за разрушение её полимеров, а также увидеть последствия действия этих ферментов. Ученым не пришлось прибегать к «мокрой» химии, которая определяет молекулярный состав вещества, но разрушает пространственные взаимосвязи.
«Типичный способ понять структуру биомассы — разбить все отдельные компоненты для анализа, — сказал биолог Дин. — Проблема в том, что тогда вы не знаете, откуда взялись все компоненты. Вы теряете структурную целостность».
Понимание того, как ферменты переваривают растения, требует понимания того, где всё находится внутри клеточных стенок.
Результаты и выводы
Корреляционная визуализация в реальном времени позволила команде оценить влияние удаления лигнина на гидролиз биомассы и увидеть нанометровые изменения в структуре клеточной стенки. Это, в свою очередь, позволило наблюдать, как эти изменения влияют на скорость переваривания растительных клеточных стенок ферментами из двух разных организмов (гриба и бактерии).
Ученые обнаружили, что чем легче доступ к клеточным стенкам, тем лучше и быстрее ферменты переварят материал.
Ключевой вывод: лигнин — несахарный полиароматический компонент растений — мешает ферментам получить доступ к полисахаридам в клеточной стенке.
Следовательно, идеальная предварительная обработка должна быть направлена на удаление лигнина при сохранении структурных полисахаридов в клеточных стенках. Это оставляет относительно рыхлую, пористую, нативную структуру, обеспечивающую легкий доступ ферментов и быстрое переваривание.
«Фермент эволюционировал, чтобы работать с реальной структурой, а не с предварительно обработанной, искусственно разложенной, — подчеркнул Дин. — Поэтому для понимания того, как фермент выполняет свою работу, очень важно знать, где расположены компоненты клеточной стенки, а также различные режимы действия фермента».
Это понимание открывает путь к оптимизации всего процесса. Наблюдая за локализацией целлюлазных ферментов и наноструктурными изменениями в архитектуре растительной клеточной стенки, ученые надеются предложить рациональные стратегии для более экономически эффективных методов предварительной обработки и лучших ферментов.