Новый ферментативный механизм для биопереработки и устойчивого производства биотоплива
В 2010 году исследователи из Норвежского университета естественных наук (NMBU) впервые описали новый класс ферментов, совершивших революцию в области биопереработки. Эти ферменты, известные как "литические полисахаридные монооксигеназы" (LPMOs), кардинально улучшили нашу способность превращать целлюлозу в ферментируемый сахар (глюкозу), что является ключевым этапом в производстве так называемого биотоплива второго поколения и других продуктов из биомассы. Сегодня современные ферментные коктейли для деградации целлюлозы, благодаря LPMOs, настолько эффективны, что коммерческое производство биоэтанола второго поколения стало реальностью.
Несмотря на их важность и мировое применение, механизм работы LPMOs оставался загадкой. До сих пор не было ясно, как эти ферменты работают на молекулярном уровне. Более того, существовали проблемы, связанные с их промышленным применением: ферменты нестабильны в технологических условиях, а их использование требует добавления кислорода, что дорого и сложно контролировать в промышленных масштабах.
В новаторском исследовании Бастьен Биссаро, приглашенный исследователь в NMBU из INRA (Франция), и команда NMBU под руководством Винсента Эйсинка обнаружили, что механизм, с помощью которого LPMOs расщепляют целлюлозу, отличается от ранее предполагаемого. Оказалось, что LPMOs нуждаются не в кислороде, а в перекиси водорода — дешевом жидком химикате. Хотя это открытие может показаться незначительным, оно противоречит устоявшимся догмам в биохимии. Более того, и это самое важное, поскольку механизм работы этих ферментов иной, необходимо пересмотреть подход к использованию их потенциала в промышленной биопереработке. Основываясь на своем открытии, Биссаро и коллеги показали, что, контролируя подачу перекиси водорода, можно добиться стабильных ферментативных процессов конверсии целлюлозы, гораздо более высоких скоростей превращения и выхода глюкозы, чем считалось возможным ранее.
Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Chemical Biology 28 августа 2017 года, представляют большой коммерческий интерес. Совместная работа с промышленными партнерами продолжается. С научной точки зрения, данные выводы являются прорывными, поскольку они раскрывают новый тип химических реакций, которые природа использует для решения сложных задач, таких как расщепление целлюлозы. Кроме того, исследование Биссаро и его коллег отвечает на многие фундаментальные вопросы о LPMOs, над которыми научное сообщество билось с момента их открытия в 2010 году.
LPMOs широко распространены в природе и, как известно, играют роль в нескольких процессах помимо деградации биомассы. Например, и что наиболее интригующе, и LPMOs, и перекись водорода участвуют в бактериальных инфекциях. Таким образом, открытия Биссаро и его коллег могут иметь последствия, выходящие далеко за рамки конверсии биомассы.