Синергия двух подходов к разрушению клеточных стенок биомассы

Исследование Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США показало, что объединение двух ферментных систем в промышленных условиях может ускорить разрушение клеточных стенок, что приведет к снижению стоимости биотоплива для транспорта.

Работа «Грибковые целлюлазы и комплексные целлюлосомные ферменты проявляют синергетические механизмы в деконструкции целлюлозы» опубликована в журнале Energy and Environmental Science. Соавторами выступили пять ученых из NREL и один из Института Вейцмана в Израиле.

Высокая стоимость ферментной обработки — ключевого этапа превращения биомассы (тополя, просо прутьевидное, кукурузная солома и т.д.) в жидкое топливо — является одним из барьеров на пути к цели производства 36 миллиардов галлонов биотоплива в год к 2022 году.

Исследователи NREL обнаружили, что две ферментные парадигмы — свободные и комплексные (целлюлосомные) ферменты — используют кардинально разные механизмы деградации биомассы на наноуровне. Более того, смешивание двух систем повышает каталитическую эффективность. Это указывает на возможность существования оптимальной стратегии между двумя механизмами.

При объединении систем субстрат изменяется неожиданным образом, что говорит о их совместной работе для более эффективной деконструкции клеточных стенок. Эти знания можно использовать для создания оптимальных ферментных составов.

Многие микроорганизмы для преодоления защитных механизмов растения секретируют синергетические коктейли отдельных ферментов. В то же время некоторые бактерии синтезируют крупные мультиферментные комплексы — целлюлосомы.

Исследователи установили, что свободные ферменты более активны на предобработанной биомассе, а целлюлосомы — на очищенной целлюлюозе. С помощью электронных микроскопов было обнаружено, что свободные ферменты атакуют поверхность клеточной стенки, скалывая и разрушая ее, а также заостряя нитевидные целлюлозные волокна.

В отличие от них, целлюлосомы физически отделяют отдельные микрофибриллы целлюлозы от более крупных частиц, чтобы улучшить доступ к поверхностям целлюлозы, используя для этого белковые каркасные структуры.

Наблюдения показали, что при комбинации двух систем эффективность работы значительно возрастает, вероятно, благодаря объединению ферментов, которые эволюционировали естественным, но независимым путем для выполнения одной и той же задачи разными способами.