Целевые стратегии повышают эффективность ферментов для конвертации биомассы в биотопливо

Растительная биомасса — перспективный источник для возобновляемого и устойчивого производства биотоплива, однако не хватает экономически эффективных и действенных ферментов для преобразования растительных углеводов. Это исследование систематически оценивает конкретные физико-химические свойства биомассы, которые снижают эффективность коммерческих ферментных препаратов.

Выявив конкретные недостатки существующих ферментов, работа предлагает целевые стратегии для повышения их эффективности. Эта информация может быть использована для проектирования, скрининга и открытия высокоэффективных ферментов, разлагающих клеточную стенку растений, что поможет значительно снизить высокие экономические затраты биохимического процесса конверсии биомассы в биотопливо.

Биотопливо производят из растительной биомассы путём разрушения клеточной стенки, содержащей сахара. Значительные усилия направлены на разработку эффективных ферментов для деградации клеточной стенки, но прогресс ограничен из-за недостаточного понимания взаимодействия ферментов со сложными и неоднородными субстратами, а также отсутствия адекватных модельных субстратов для оценки эффективности ферментов.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета штата Вашингтон совместно с учёными из EMSL разработали набор референсных субстратов биомассы с контролируемыми физико-химическими свойствами. В новом исследовании эти субстраты использовали для тестирования трёх коммерческих ферментных смесей — Novozymes Cellic Ctec2, Dupont Accellerase 1500 и DSM Cytolase CL — с применением рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифракции и атомно-силового микроскопа в EMSL (Environmental Molecular Sciences Laboratory).

Результаты показали, что:

  • Лигнин и реакционная способность целлюлозы остаются основными факторами, ограничивающими эффективный гидролиз лигноцеллюлозы.
  • Разработка ферментов со слабым связыванием с лигнином методами генной инженерии и высокопроизводительного скрининга может значительно повысить эффективность коммерческих ферментов.
  • Понимание механизма ферментативной декристаллизации целлюлозы — ключевой шаг для выявления высокоактивных ферментов.
  • Использование референсных субстратов в качестве единственного источника углерода при скрининге мутантов может стать мощным инструментом для отбора целлюлаз с более высокой и специфичной гидролитической активностью.