Ученые выяснили, как молекулярные «дорожные пробки» замедляют расщепление целлюлозы для биотоплива
Целлюлоза — ключевой структурный компонент клеточных стенок растений — рассматривается как перспективное возобновляемое сырье для биотоплива. Однако процесс ее расщепления идет медленно и неэффективно по сравнению с переработкой кукурузного крахмала. Новое исследование ученых из Университета Пенсильвании раскрыло молекулярные механизмы, которые тормозят этот процесс.
В недавней работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, описано, как целлобиоза — двухсахарный фрагмент, образующийся при расщеплении целлюлозы — засоряет «конвейер» и мешает дальнейшей деградации.
Проблема целлюлозного биотоплива
Производство биотоплива основано на расщеплении полисахаридов до глюкозы с последующим брожением в этанол. Основной современный источник — кукурузный крахмал, который легко разлагается.
«Использование кукурузы вызывает обеспокоенность из-за конкуренции с продовольственным рынком и значительных выбросов парниковых газов», — отмечает профессор биологии Чарльз Андерсон, соавтор статьи.
Альтернатива — целлюлоза из непищевых частей растений (стеблей, отходов лесного хозяйства). Но экономическую конкурентоспособность «биотоплива второго поколения» сдерживает медленный и неэффективный процесс расщепления целлюлозы.
Новый метод наблюдения
Целлюлоза представляет собой кристаллические структуры из цепочек глюкозы, связанных водородными связями. Для их разрушения используются ферменты целлюлазы (например, грибковой фермент Cel7A). Однако кристалличность целлюлозы, а также присутствие в клеточной стенке ксилана и лигнина создают дополнительные препятствия.
Чтобы изучить механизмы торможения на молекулярном уровне, исследователи пометили отдельные молекулы целлюлаз флуоресцентными маркерами и наблюдали за ними с помощью специально сконструированного микроскопа SCATTIRSTORM.
«Традиционные методы наблюдают процесс в более крупном масштабе или искусственно манипулируют положением фермента. Наша методика позволяет в реальном времени следить за работой отдельных молекул фермента», — пояснил профессор биомедицинской инженерии Уилл Хэнкок.
Как целлобиоза создает «пробки»
Фермент Cel7A работает как молекулярный «тоннель»: он захватывает цепочку целлюлозы у «входной двери», расщепляет ее внутри, а продукты (фрагменты целлобиозы) выходят через «выходную дверь».
Исследование показало два механизма ингибирования:
- Блокировка «выходной двери»: Молекулы целлобиозы в растворе могут связываться с выходом из тоннеля, замедляя выход последующих продуктов.
- Блокировка «входной двери»: Целлобиоза также может связываться с Cel7A у входа, не давая ферменту присоединиться к новой цепочке целлюлозы.
«Поскольку целлобиоза очень похожа на целлюлозу, неудивительно, что ее мелкие фрагменты могут попадать в тоннель. Теперь, понимая, как именно она «ломает» процесс, мы можем искать способы его оптимизации — например, изменяя структуру «дверей» тоннеля или самого фермента», — сказал Хэнкок.
Другие препятствия: ксилан и лигнин
Эти результаты дополняют предыдущие работы команды, посвященные роли ксилана и лигнина (опубликованы в RSC Sustainability и Biotechnology for Biofuels and Bioproducts).
- Ксилан покрывает целлюлозу, снижая долю ферментов, способных связаться с ней.
- Лигнин ингибирует как связывание фермента с целлюлозой, так и его движение, уменьшая скорость и дистанцию работы.
В отличие от ксилана и лигнина, которые можно удалить предварительной обработкой, удаление целлобиозы сложнее. Один из методов — использование второго фермента для ее расщепления — увеличивает стоимость и сложность системы.
«Около 50 центов за галлон стоимости биоэтанола уходит только на ферменты. Снижение этой стоимости сделает биотопливо из растительных отходов гораздо более конкурентоспособным», — подчеркнул Андерсон.
Дальнейшая работа будет сосредоточена на инженерии более эффективных ферментов и изучении их совместного действия для удешевления и ускорения процесса.