Создание улучшенных версий лучших природных ферментов для производства биотоплива
Инженеры изучают методы преобразования несъедобных растительных материалов, таких как стебли люцерны или древесная щепа, в транспортное топливо. Энергия в них содержится в целлюлозе — молекуле, которую люди не могут переварить, в отличие от съедобных зерен кукурузы, используемых для производства этанола.
"Целлюлоза в биосфере может сохраняться годами. Она действительно прочная, и мы хотим понять почему на молекулярном уровне", — говорит Грегг Бекхэм из Национального центра биоэнергетики NREL.
Несмотря на прочность клеточных стенок растений, грибы и бактерии за эоны лет эволюции развили ферменты для преобразования целлюлозы в сахара. Однако эти природные ферменты работают недостаточно быстро для конкуренции с ископаемым топливом по скорости и цене.
Вычислительный дизайн ферментов
Ученые NREL используют суперкомпьютеры, чтобы понять и создать улучшенные, "дизайнерские" ферменты для ускорения производства биотоплива и снижения его стоимости.
"Это проблема Златовласки. Ферменты должны быть "в самый раз", и мы пытаемся выяснить, что это значит, почему и как создать мутации в ферментах, чтобы сделать их максимально эффективными", — поясняет Бекхэм.
Моделирование белковых комплексов
Исследователи смоделировали на суперкомпьютерах ферменты целлюлозоразрушающего гриба Trichoderma reesei и бактерии Clostridium thermocellum. Эти организмы используют разные стратегии:
- Бактерии формируют каркасы (скаффолды) для своих ферментов, которые работают вместе.
- Грибные ферменты действуют независимо, не будучи привязанными к большому комплексу.
Моделирование показало, что более крупные, медленные ферменты дольше остаются рядом с каркасом и связываются с ним чаще, а меньшие — движутся быстрее, но связываются реже. Результаты этого исследования были опубликованы в Journal of Biological Chemistry в феврале 2011 года.
Изучение неизученных функций
Ученые также исследовали карбогидрат-связывающий модуль ("липкая ножка" фермента) и линкерный регион, соединяющий его с основным телом фермента. Ранее их роль считалась второстепенной, но без них фермент не может эффективно преобразовывать целлюлозу в глюкозу.
С помощью суперкомпьютерного моделирования было обнаружено:
- Поверхность целлюлозы имеет энергетические ямы, расположенные на расстоянии 1 нанометр друг от друга — идеальное соответствие для связывающего модуля.
- Линкерный регион ведет себя как высокоэластичный трос, а не имеет жестких участков, как считалось ранее.
"Для экспериментаторов это очень сложная проблема. Мы используем рациональный дизайн, чтобы понять, как работает фермент, а затем предсказать лучшее место для внесения изменений и протестировать его", — говорит Майк Кроули, ведущий ученый NREL.
Исследование направлено на устранение "узких мест" в ферментативной активности, которые мешают возобновляемому топливу из биомассы конкурировать с ископаемым.
"Если мы сможем помочь промышленности понять и улучшить эти процессы, в долгосрочной перспективе мы сможем заменить значительную часть ископаемого топлива", — заключает Бекхэм.