Суперкомпьютер раскрыл секреты фермента
Современные суперкомпьютеры позволяют проводить симуляции, которые открывают исследователям неожиданные детали. Именно это произошло с инженером Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Греггом Бекхэмом.
«То, что я увидел, было совершенно неожиданным», — сказал Бекхэм.
Его удивила компьютерная симуляция фермента из гриба Trichoderma reesei (Cel7A). Моделирование показало, что часть фермента — линкер — может играть важную роль в расщеплении биомассы на сахара для производства альтернативного топлива.
«Мы заметили, что линкерная часть фермента начала связываться с целлюлозой — фактически, весь линкер связывается с поверхностью целлюлозы», — пояснил Бекхэм.
Ферменты, которые изучают в NREL, состоят из нескольких компонентов:
- Каталитический домен — расщепляет материал на сахара.
- Связывающий модуль — «липкая» часть, которая прикрепляет фермент к целлюлозе.
- Линкер — соединяет каталитический домен со связывающим модулем.
Долгое время считалось, что линкеры — просто гибкие соединители («мокрые макароны»). Однако симуляция показала, что линкер также может обладать функцией связывания с целлюлозой.
Проверка открытия
Сначала в результатах симуляции усомнились. Коллега Бекхэма, Кристина Пейн, запустила моделирование для второго по распространённости фермента Trichoderma reesei (Cel6A) и получила точно такой же результат.
Международная команда учёных из NREL, Университета Колорадо, Шведского университета сельскохозяйственных наук и Гентского университета экспериментально подтвердила компьютерные предсказания. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), показало, что линкер увеличивает сродство к связыванию с целлюлозой на порядок.
«В плане производства топлива даже небольшое улучшение этих ферментов позволяет снизить их необходимую концентрацию. В промышленных масштабах это может привести к значительной экономии», — отметил Бекхэм.
Работа финансировалась Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США. Расчёты выполнялись на суперкомпьютерах Athena (Национальный научный фонд, NSF) и Red Mesa (Национальные лаборатории Сандия).
Сейчас команда продолжает исследования на новом суперкомпьютере NREL Peregrine, изучая, в том числе, ферменты других организмов, например, древоточца (gribble).
«Наше открытие было совершенно случайным, но оно показывает ценность компьютерных симуляций. Они позволяют взглянуть на вещи через молекулярный микроскоп и понять, как работают ферменты, часто предсказывая новые особенности, о которых мы даже не думали», — заключил Бекхэм.