Новая модель гидролиза — перспективный инструмент для изучения целлюлозного биотоплива
Учёные стремятся разработать инструменты и найти организмы для расщепления сложной структуры растительной целлюлозы на составные сахара — ключевой этап перед их ферментацией в биотопливо. Этот процесс должен стать простым и экономически эффективным, чтобы целлюлозное биотопливо могло конкурировать с ископаемым.
При исследовании систем с малоизученными процессами механистическая модель — важный первый шаг. Исследователи из лабораторий Института энергетической биологии (EBI) в Калифорнийском университете в Беркли усовершенствовали этот шаг, приблизив науку к прогнозированию активности ферментов по деструкции целлюлозы.
В статье, принятой журналом Biotechnology and Bioengineering, учёные EBI — профессора химической инженерии Дуг Кларк и Харви Бланч, постдок Сет Левин и аспирант Джером Фокс — представили анализ, приведший к созданию наиболее специфичной на сегодня модели ферментативного гидролиза целлюлозы.
«Это первый шаг к детальному пониманию того, что происходит между целлюлазами (смесями ферментов с комплементарной активностью) и субстратом (целлюлозой)», — сказал ведущий автор Левин.
Большая часть действия происходит на поверхности целлюлозы — волокнистого полисахарида клеточной стенки растений, состоящего из водородносвязанных цепей глюкозы (C6H12O6). Левин сравнивает поверхность с «чёрным ящиком», где сложность реакций усугубляется множеством форм и неизвестными свойствами частиц. Предыдущие модели опирались на упрощённые допущения и мало объясняли происходящие химические и физические реакции.
Новая методология EBI описывает механизм, с помощью которого целлюлазы запускают гидролиз целлюлозы, в три этапа: адсорбция, комплексирование (молекулярное связывание) и реакция. Исследователи обнаружили, что площадь поверхности критически важна для активности ферментов и их совместной работы.
«Модель явно отслеживает отдельные целлюлазы и ключевые свойства поверхности целлюлозы», — заключают авторы. — В неё включены независимые этапы адсорбции и комплексирования фермента, чтобы уловить важнейшие детали взаимодействия фермент-субстрат. Результаты модели иллюстрируют важность понимания влияния соответствующих площадей поверхности на активность ферментативного гидролиза».
Одно из изученных явлений — типичное снижение скорости расщепления сахаров после начальной «вспышки» активности. Это приводит к удлинению процесса и необходимости увеличения количества ферментов — дорогого и затратного по времени шага. Исследование показало, что к замедлению вносят вклад площадь поверхности, структурные изменения в её слое и взаимодействие целлюлаз во время гидролиза.
«Эта работа подтверждает, что, несмотря на сложность, ферментативный гидролиз целлюлозы поддаётся моделированию», — сказал Кларк, главный исследователь программы EBI «Оптимизация биопроцесса от гидролиза целлюлозы до ферментации продукта». — Она также показывает важность площади поверхности, которой мы можем управлять с помощью предварительной обработки целлюлозы. Теперь у нас есть много «рычагов» для поиска оптимального ферментативного пути расщепления целлюлозы на сахара, пригодные для конвертации в топливо».
Хотя в расшифровке сложного процесса извлечения сахаров из растительной целлюлозы остаётся много неизвестного, механистическая модель EBI добавляет в арсенал учёных значимый инструмент.