Cellulosa, som hjälper till att ge växtcellväggarna deras stela struktur, lovar som en förnybar råvara för biobränslen – om forskare kan påskynda produktionsprocessen. Jämfört med nedbrytningen av andra biobränslematerial som majs, går nedbrytningen av cellulosa långsamt och ineffektivt, men man kan undvika bekymmer kring att använda en matkälla samtidigt som man drar fördel av rikligt med växtmaterial som annars skulle kunna gå till spillo. Ny forskning ledd av Penn State-utredare har avslöjat hur flera molekylära vägspärrar bromsar denna process.
Teamets senaste studie, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriver den molekylära process genom vilken cellobios – ett tvåsockerfragment av cellulosa som tillverkas under cellulosadekonstruktion – kan täppa till rörledningen och störa efterföljande cellulosanedbrytning.
Biobränsleproduktion bygger på nedbrytning av föreningar som stärkelse eller cellulosa till glukos, som sedan effektivt kan fermenteras till etanol för användning som bränsle eller omvandlas till andra användbara material. Det dominerande biobränslealternativet på marknaden idag genereras från majs, delvis för att, sa forskarna, deras stärkelse bryts ner lätt.
"Det finns flera farhågor om att använda majs som biobränslekälla, inklusive att konkurrera med den globala livsmedelsförsörjningen och den stora mängden växthusgaser som produceras när man genererar majsbaserad etanol", säger Charles Anderson, professor i biologi vid Penn State Eberly College of Science och en författare till tidningen.
"Ett lovande alternativ är att bryta ner cellulosa från de icke-ätbara delarna av växter som majsstjälkar, annat växtavfall som skogsrester och potentiellt dedikerade grödor som skulle kunna odlas på marginell mark. Men en av de viktigaste sakerna som håller tillbaka så- kallas andra generationens biobränslen från att vara ekonomiskt konkurrenskraftiga är att den nuvarande processen för att bryta ner cellulosa är långsam och ineffektiv."
"Vi har använt en relativt ny avbildningsteknik för att utforska de molekylära mekanismerna som bromsar denna process."
Cellulosa är sammansatt av kedjor av glukos, som hålls samman av vätebindningar till kristallina strukturer. Forskare använder enzymer som kallas cellulaser, som härrör från svampar eller bakterier, för att bryta ner växtmaterial och extrahera glukos från cellulosan. Men, sa forskarna, cellulosas kristallina struktur i kombination med andra föreningar som kallas xylan och lignin - som också finns i cellväggarna - ger ytterligare utmaningar för cellulosanedbrytningen. Traditionella tekniker kunde dock inte avslöja de specifika molekylära mekanismerna för dessa nedgångar.
För att utforska dessa oklara mekanismer märkte forskarna kemiskt enskilda cellulaser med fluorescerande markörer. De använde sedan Penn States SCATTIRSTORM-mikroskop, som teamet designade och byggde för just detta syfte, för att spåra molekylerna genom varje steg i nedbrytningsprocessen och tolkade de resulterande videorna med hjälp av beräkningsprocesser och biokemisk modellering.
"Traditionella metoder observerar nedbrytningsprocessen i större skala, manipulerar på konstgjord väg enzymets position eller fångar bara molekyler i rörelse, vilket innebär att du kan missa en del av den naturligt förekommande processen", säger Will Hancock, professor i biomedicinsk teknik i Penn State College of Engineering och en författare till tidningen. "Med hjälp av SCATTIRSTORM-mikroskopet kunde vi se enskilda cellulasenzymer i aktion för att verkligen komma fram till vad som saktar ner denna process och generera nya idéer för hur vi kan göra den mer effektiv."
Forskarna studerade specifikt effekten av ett svampcellulasenzym som heter Cel7A. Som en del av nedbrytningsprocessen matar Cel7A cellulosa in i en sorts molekylär tunnel, där den hackas upp.
"Cel7A flyttar glukoskedjan till "ytterdörren" i tunneln, kedjan klyvs och produkterna kommer ut genom "bakdörren" i en sorts pipeline", säger Daguan Nong, biträdande forskningsprofessor i biomedicinsk teknik i Penn State College of Engineering och första författare till uppsatsen.
"Vi är inte exakt säkra på hur enzymet leder glukoskedjan till tunneln eller vad som händer inuti, men vi visste från tidigare studier att produkten som kommer ut genom bakdörren, cellobios, kan störa behandlingen av efterföljande cellulosa. molekyler. Nu vet vi mer om hur det stör."
Inom tunneln hackar Cel7A cellulosa – som har upprepade enheter av glukos – till cellobiosfragment med två sockerarter. Forskarna fann att cellobios i lösning kan binda till "bakdörren" av tunneln, vilket kan bromsa utgången av efterföljande cellobiosmolekyler eftersom det i huvudsak blockerar vägen. Dessutom fann de att det kan binda till Cel7A nära ytterdörren, vilket hindrar enzymet från att binda till ytterligare cellulosa.
"Eftersom cellobios är så lik cellulosa, är det kanske inte förvånande att de små bitarna kan komma in i tunneln," sa Hancock. "Nu när vi har en bättre förståelse för exakt hur cellobios förstör saker och ting, kan vi utforska nya sätt att finjustera denna process. Till exempel kan vi ändra fram- eller bakdörren till tunneln eller ändra aspekter av Cel7A-enzymet att vara effektivare på att förhindra denna hämning. Det har lagts ner mycket arbete på att konstruera mer effektiva cellulasenzymer under de senaste två decennierna, och det är ett otroligt kraftfullt tillvägagångssätt rikta denna ansträngning."
Den här forskningen bygger på det senaste arbetet av forskargruppen för att förstå andra vägspärrar för nedbrytningsprocessen – xylan och lignin – som de nyligen publicerade i RSC Sustainability och Bioteknik för biobränslen och bioprodukter .
"Vi fann att xylan och lignin fungerar på olika sätt för att störa nedbrytningen av cellulosa", säger Nerya Zexer, postdoktor i biologi vid Penn State Eberly College of Science och huvudförfattare till RSC Sustainability paper. "Xylan täcker cellulosan, vilket minskar andelen enzymer som kan binda till och flytta cellulosa. Lignin hämmar enzymets förmåga att binda till cellulosa såväl som dess rörelse, vilket minskar enzymets hastighet och avstånd."
Även om det finns strategier för att ta bort komponenter som xylan och lignin från cellulosan, sa forskarna att avlägsnandet av cellobios är svårare. En metod använder ett andra enzym för att klyva cellobios, men det lägger till ytterligare kostnader och komplexitet till systemet.
"Omkring 50 cent per gallon produktionskostnader för bioetanol är dedikerade bara till enzymer, så att minimera denna kostnad skulle göra mycket när det gäller att göra bioetanol från växtavfall mer konkurrenskraftig med fossila bränslen eller majsbaserad etanol," sa Anderson. "Vi kommer att fortsätta att undersöka hur man konstruerar enzymer och utforska hur enzymer kan fungera tillsammans med målet att göra denna process så låg kostnad och effektiv som möjligt."
Forskargruppen vid Penn State inkluderar också Zachary Haviland, student med huvudämne i biomedicinsk teknik vid tidpunkten för forskningen; Sarah Pfaff, doktorand i biologi vid tidpunkten för forskningen; Daniel Cosgrove, innehavare av Eberly Family Chair i biologi; Ming Tien, professor emeritus i biokemi och molekylärbiologi; och Alec Paradiso, student med bioteknik som huvudämne.
Mer information: Daguan Nong et al, Single-molecule tracking avslöjar dubbel ytterdörr/bakdörr hämning av Cel7A cellulas av dess produkt cellobios, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2322567121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences , RSC Hållbarhet
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
