Att producera biobränslen som etanol från växtmaterial kräver olika enzymer för att bryta ner cellulosafibrerna. Forskare som använder neutronspridning har identifierat detaljerna för en enzymkatalyserad reaktion som avsevärt kan minska den totala mängden enzymer som används, förbättra produktionsprocesserna och sänka kostnaderna.

Forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och North Carolina State University använde en kombination av röntgen- och neutronkristallografi för att bestämma den detaljerade atomstrukturen hos ett specialiserat svampenzym. En djupare förståelse av enzymreaktiviteten kan också leda till förbättrade beräkningsmodeller som ytterligare kommer att vägleda industriella tillämpningar för renare energiformer. Deras resultat publiceras i tidskriften Angewandte ChemieInternational Edition.

Del av en större familj känd som lytiska polysackaridmonooxygenaser, eller LPMO, dessa syreberoende enzymer verkar i tandem med hydrolytiska enzymer – som kemiskt bryter ner stora komplexa molekyler med vatten – genom att oxidera och bryta de bindningar som håller ihop cellulosakedjorna. De kombinerade enzymerna kan smälta biomassa snabbare än dagens använda enzymer och påskynda produktionen av biobränsle.

"Dessa enzymer används redan i industriella tillämpningar, men de är inte väl förstådda, " sa huvudförfattaren Brad O'Dell, en doktorand från staten NC som arbetar i avdelningen för biologi och mjuka materia vid ORNL:s direktorat för neutronvetenskap. "Att förstå varje steg i LPMOs verkningsmekanism kommer att hjälpa industrin att använda dessa enzymer till sin fulla potential och, som ett resultat, göra slutprodukterna billigare."

I ett LPMO-enzym, syre och cellulosa ordnar sig genom en sekvens av steg innan biomassadekonstruktionsreaktionen inträffar. Typ som "på ditt märke, fixa, gå, säger O'Dell.

För att bättre förstå enzymets reaktionsmekanism, O'Dell och medförfattare Flora Meilleur, ORNL instrumentforskare och docent vid NC State, använde IMAGINE neutronspridningsdiffraktometer vid ORNLs högflödesisotopreaktor för att se hur enzymet och syremolekylerna betedde sig i stegen som ledde fram till reaktionen - från "vilotillstånd" till "aktivt tillstånd".

Vilande tillstånd, O'Dell säger, är där alla viktiga komponenter i enzymet samlas för att binda syre och kolhydrater. När elektroner levereras till enzymet, systemet går från vilotillstånd till aktivt tillstånd, dvs. från "på din mark" till "ställ dig".

I aktivt tillstånd, syre binder till en kopparjon som initierar reaktionen. Med hjälp av röntgen- och neutrondiffraktion, O'Dell och Meilleur identifierade en tidigare osynlig syremolekyl som stabiliseras av en aminosyra, histidin 157.

Väte är ett nyckelelement i aminosyror som histidin 157. Eftersom neutroner är särskilt känsliga för väteatomer, teamet kunde fastställa att histidin 157 spelar en betydande roll för att transportera syremolekyler till kopparjonen i det aktiva stället, avslöjar en viktig detalj om det första steget i den katalytiska LPMO-reaktionen.

"Eftersom neutroner tillåter oss att se väteatomer inuti enzymet, vi fick viktig information för att dechiffrera proteinkemin. Utan dessa uppgifter, rollen av histidin 157 skulle ha förblivit oklar, "Meilleur sa. "Neutroner var avgörande för att bestämma hur histidin 157 stabiliserar syre för att initiera det första steget av LPMO-reaktionsmekanismen."

Deras resultat bekräftades därefter via kvantkemiska beräkningar utförda av medförfattaren Pratul Agarwal från ORNL:s direktorat för beräknings- och beräkningsvetenskap.

Beredning av forskningsmaterial stöddes av ORNL Center for Structural Molecular Biology. Röntgendata samlades in vid Argonne National Laboratory Advanced Photon Source genom åtkomst från Southeast Regional Collaborative Access Team.

O'Dell säger att deras resultat förfinar den nuvarande förståelsen av LPMO för vetenskaps- och industriforskare.

"Detta är ett stort steg framåt för att reda ut hur LPMO initierar nedbrytningen av kolhydrater, "O'Dell sa. "Nu måste vi karakterisera enzymets aktiverade tillstånd när proteinet också är bundet till en kolhydrat som efterliknar cellulosa. Då får vi chansen att se vilka strukturella förändringar som händer när startpistolen avfyras och reaktionen tar fart."