Меньше — лучше: новая структура целлюлозы требует меньше ферментов для переработки биомассы в топливо

Улучшение методов расщепления нановолокон целлюлозы — ключ к рентабельному производству биотоплива. Этому посвящено новое исследование Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (LANL) и Центра биоэнергетических исследований Великих озёр (GLBRC). Учёные изучают уникальные свойства кристаллических нановолокон целлюлозы, чтобы разработать новые химические предобработки и специальные ферменты для производства биотоплива из непищевой растительной биомассы.

«Целлюлоза в клеточных стенках растений организована в виде кристаллических нановолокон, подобно стальной арматуре в бетонных колоннах», — говорит Шишир Чундават из GLBRC. — «Ключ к удешевлению производства — более эффективное «распутывание» этих плотно упакованных нановолокон в растворимые сахара с использованием меньшего количества ферментов».

Статья, опубликованная на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает — вопреки интуиции — что усиленное связывание ферментов с полимерами целлюлозы не всегда приводит к ускоренному расщеплению на простые сахара. Исследовательская группа Чундавата обнаружила, что использование новой предобработки биомассы для преобразования целлюлозы в уникальную кристаллическую структуру, называемую целлюлоза III, снижает связывание нативных ферментов, при этом увеличивая выход сахаров впятеро.

«Способность этой нетрадиционной стратегии предобработки, разрабатываемой в GLBRC, избирательно изменять кристаллическую структуру целлюлозы, может привести к сокращению использования ферментов на порядок. Это будет критически важно для рентабельного производства целлюлозного биотоплива», — говорит Брюс Дейл из Университета штата Мичиган.

Ранее исследователи показали, что изменение кристаллической структуры нативной целлюлозы на целлюлозу III ускоряет ферментативное расщепление. Однако недавнее наблюдение, что целлюлоза III увеличивает выход сахаров при сниженном уровне связанного фермента, стало неожиданностью. Чтобы объяснить это, Чундават и команда исследователей LANL под руководством Гнаны Гнанакарана и Анурага Сети разработали механистическую кинетическую модель. Она показала, что взаимосвязь между сродством фермента к целлюлозе и каталитической эффективностью сложнее, чем считалось.

Поверхность целлюлозы III оказалась менее «липкой», что мешает нативным ферментам бесполезно «застревать» на ней, в отличие от поверхности необработанной целлюлозы. Модель также предсказывает, что повышенная ферментативная активность, несмотря на сниженное связывание, обусловлена относительной лёгкостью, с которой ферменты могут вытягивать отдельные цепи целлюлозы III из поверхности предобработанного нановолокна, а затем расщеплять их на простые сахара.

«Эти открытия обнадёживают, поскольку могут стимулировать будущую разработку новых инженерных ферментов, специально настроенных для преобразования богатой целлюлозой III предобработанной биомассы в более дешёвое топливо и другие полезные соединения, которые в настоящее время получают из невозобновляемых ископаемых видов топлива», — говорит Гнанакаран.