Biobränslen från biomassa blir allt viktigare. Förutom biometan, dock, de kan inte produceras effektivt, billigt och hållbart eftersom den nuvarande tekniska komplexiteten och kostnaderna fortfarande är för höga. Delvis skulden är cellulosa, en polysackarid och växtbeståndsdel som inte är vattenlöslig och därmed svår att bearbeta.

Vanligtvis, bioraffinaderier använder en blandning av hydrolytiskt aktiva enzymer som använder vattenmolekyler för att bryta ner växtmaterial – som sker i naturliga nedbrytningsprocesser. Nyligen, oxidativa enzymer upptäcktes som utnyttjar syre och arbetar tillsammans med hydrolytiska enzymer för att bryta ner cellulosa mer effektivt. Men exakt hur dessa oxidativa enzymer – även kända som LPMOs (lytiska polysackaridmonooxygenaser) – fungerar, var inte känt. I detta skede fick Graz-forskarna att arbeta.

Med hjälp av atomkraftsmikroskopi, forskarna kunde för första gången observera enzymer i arbete på cellulosapartiklars yta och ge direkt bevis på deras aktivitet. Sedan flera år tillbaka, Institute of Biotechnology and Biochemical Engineering har haft ett nära samarbete med Graz Center for Electron Microscopy.

För studien som för närvarande publiceras i Naturkommunikation , det hydrolytiskt aktiva enzymet Trichoderma reesei CBH I, som varit känt sedan länge, observerades i ett första steg. Enzymet adsorberas på ytan av en partikel, rör sig längs en polysackaridkedja och klyver steg för steg bort fler och fler små delar. I ett ytterligare steg, det har observerats hur enzymernas beteende förändras när LPMO läggs till mixen. Och här kunde forskarna konstatera både att LPMO genererade fler bindningsställen på ytan för de hydrolytiskt aktiva enzymerna, och att enzymdynamiken på ytan ökade avsevärt.

Denna studie kommer att bidra till en bättre förståelse av dessa processer på grundforskningsnivå, och i ett ytterligare steg kommer att underlätta produktionen av biobränslen. Vanligtvis, inom kemi är vi fokuserade på lösliga produkter, som lätt kan mätas, för att fördjupa förståelsen av en reaktion. Dock, för en reaktion som äger rum på en fast yta är ett sådant tillvägagångssätt inte genomförbart. Vi ville observera och dokumentera steget innan dess, det är, processen för cellulosanedbrytning, säger Manuel Eibinger, huvudförfattare till studien vid Institutet för bioteknik och biokemisk teknik.

Bernd Nidetzky, chef för Institutet för bioteknik och biokemiteknik vid TU Graz:"Man tänker på talesättet "en bild säger mer än tusen ord". I den här studien ville vi dokumentera processerna när de inträffar i tiden. Och det här är vad vi klarade av. att göra."