Суперкомпьютер исследует главное препятствие для биотоплива

Самый большой технический барьер для рентабельного производства этанола — лигнин. Этот полимер в клеточных стенках растений защищает целлюлозные волокна — основное сырье для целлюлозного этанола. Однако при переработке биомассы лигнин мешает: он выдерживает дорогостоящие предобработки и блокирует доступ ферментов к целлюлозе, не давая расщепить её на простые сахара для ферментации в биоэтанол.

Чтобы понять, как именно лигнин сохраняется, исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США создали одну из крупнейших биомолекулярных моделей — систему из 23.7 миллионов атомов, представляющую предобработанную биомассу (целлюлозу и лигнин) в присутствии ферментов. Моделирование потребовало мощности суперкомпьютера Titan.

Исследование показало, что лигнин не только связывается с целлюлозой в тех же местах, что и ферменты, но и притягивает к себе целлюлозосвязывающие домены самих ферментов. Это мешает ферментам закрепиться на целлюлозе. Полученные детальные знания о поведении лигнина могут помочь в генной инженерии ферментов, которые меньше связываются с лигнином и эффективнее производят биоэтанол.

Создание модели биомассы

Модель, построенная с использованием данных экспериментов, включала:

• 9 целлюлозных волокон
• 468 молекул лигнина
• 54 молекулы фермента в прямоугольной "коробке" с водой. Моделирование проводилось с помощью кода GROMACS на суперкомпьютере Titan. За год команда накопила 1.3 микросекунды модельного времени.

Моделирование также показало, что лигнин меньше связывается с неупорядоченной (аморфной) целлюлозой, конкурируя там с ферментами в меньшей степени. Это объясняет, почему аморфная целлюлоза легче расщепляется.

Параллельный анализ данных

Чтобы справиться с огромным объёмом данных, команда модифицировала GROMACS, позволив проводить анализ параллельно на тысячах процессорных ядер Titan. Это ускорило получение результатов в тысячи раз по сравнению с обычными методами и открыло путь для анализа других крупномасштабных симуляций.

С появлением нового суперкомпьютера Summit, который будет как минимум в пять раз мощнее Titan, модели биомассы смогут стать ещё сложнее и реалистичнее. Цель исследователей — достичь в модели той сложности, которая существует в природе и промышленных условиях, чтобы виртуально обрабатывать клеточную стенку растения и наблюдать за её изменениями.