В поисках экстремальных ферментов

Учёные ищут ферменты, способные расщеплять лигноцеллюлозу на сахара для биотоплива в экстремальных условиях биоперерабатывающего завода.

Проблема лигноцеллюлозы

Лигноцеллюлоза (древесное вещество из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина) природой создана, чтобы быть прочной. Лигнин действует как "молекулярный клей", удерживая её вместе. Чтобы получить сахара для ферментации в биотопливо, биомассу необходимо подвергнуть химическому или ферментативному разрушению.

Зачем нужны экстремальные условия?

Для экономической эффективности процесс в биорефинериях желательно проводить при температурах 65–70°C. Поиск термостабильных целлюлаз (ферментов, расщепляющих целлюлозу) привёл учёных к горячим источникам.

Открытия в природе

• В термальных источниках около Герлаха (Невада, ~90°C) обнаружили консорциум трёх гипертермофильных Archaea, способных расти на кристаллической целлюлозе. Это первые Archaea, оптимально разрушающие лигноцеллюлозу выше 90°C.
• Металгеномные исследования выявили самый активный высокотемпературный фермент — EBI-244. Он активен при температуре до 108°C, что является рекордом для целлюлаз.
• В горячих источниках Национального парка Лассен нашли фермент, активный на целлюлозе до 100°C в условиях высокой кислотности (pH ~2.2). Это самая ацидотермофильная целлюлаза из известных.

Инженерный подход

Помимо поиска в природе, учёные разработали метод мутагенеза для улучшения свойств природных ферментов. Его применили к грибковой целлюлазе Cel7A, которая есть в коммерческих ферментных коктейлях, чтобы повысить её оптимальную температуру и термостабильность.

Проблема и решение для Cel7A

При экспрессии Cel7A в дрожжах Saccharomyces cerevisiae фермент часто был менее активным и стабильным, чем его природный аналог. Причиной оказалось отсутствие важной посттрансляционной модификации. Учёные успешно провели эту модификацию in vitro, после чего свойства фермента, экспрессированного в дрожжах, сравнялись со свойствами природного фермента.