Визуализация работы наномашины, разлагающей целлюлозу

Учёные из Технологического университета Граца (Австрия) впервые визуализировали на уровне отдельных молекул процессы, происходящие в биологической наномашине — целлюлосоме — при разложении кристаллической целлюлозы. Полученные фундаментальные знания могут помочь в разработке устойчивых методов использования целлюлозы для прорыва в промышленной биотехнологии.

Целлюлоза — чрезвычайно устойчивый, нерастворимый в воде полимер, который сложно разложить. Это затрудняет эффективное и устойчивое использование растительной биомассы в биорефайнериях. «Только когда появятся устойчивые и экономичные подходы к деградации целлюлозы, мы начнём в больших масштабах производить топливо, химикаты и материалы из растительной биомассы», — объясняет Бернд Нидецки, биотехнолог и руководитель Института биотехнологии и биохимического машиностроения.

Как работает целлюлосома

Исследователи смогли визуализировать целлюлосому на уровне одной молекулы во время деградации целлюлозы с помощью покадровой атомно-силовой микроскопии. Работа велась с целлюлосомой из бактерии Clostridium thermocellum.

Ключевые наблюдения:

• При связывании с целлюлозой целлюлосома переключается на удлинённые, даже нитевидные формы и динамически изменяет их менее чем за минуту в соответствии с условиями поверхности целлюлозы.
• В отличие от свободных ферментов-целлюлаз, которые скользят по поверхности, целлюлосомы остаются локально связанными в течение нескольких минут и удаляют подстилающий материал.
• Последующее огрубление поверхности приводит к эффективной деградации нанокристаллов целлюлозы.

Перспективы для биорефайнеринга

Анализ доказывает, что целлюлосомы чрезвычайно эффективны в разрушении целлюлозы и могут сыграть центральную роль в разработке новых подходов для биорефайнеринга. Использование различных механизмов действия ферментных комплексов (целлюлосом) и свободных ферментов (целлюлаз) позволит проводить деградацию целлюлозы быстрее, полнее и с меньшим расходом ферментов. Синергия между этими механизмами может помочь в создании гибридных целлюлазных систем.