Forskare från US Department of Energy's (DOE) National Renewable Energy Laboratory (NREL) har fått nya insikter om hur glykosylering - den naturliga bindningen av socker till proteiner - påverkar ett viktigt cellulasenzym. Detta arbete kan användas för att förbättra enzymets prestanda för att bättre bryta ner biomassa och omvandla avfall från växtmaterial till förnybara bränslen och produkter. Nämligen, desto mer effektivt enzymet, desto mer effektiv och ekonomisk blir processen.

Den nya forskningen, som fokuserar på enzymet Cel7A som bryter ner cellulosa i växter till sockerarter, är detaljerad i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) i ett manuskript med titeln "Distinkta roller för N- och O-glykaner i cellulasaktivitet och stabilitet." Denna studie belyser de specifika funktionerna hos små sockerarter, eller glykaner, som mikrober fäster vid sina enzymer. Denna enzymatiska modifiering genom tillsats av socker kallas "glykosylering" och det är känt att ha en väsentlig inverkan på enzymfunktionen.

En kvinna och en man arbetar på en laboratoriebänk omgiven av laboratorieutrustning.

Postdoktor Antonella Amore och senioringenjör Brandon Knott arbetar med prover i labbet. Den nya forskningen om sambandet mellan små sockerarter (glykaner), deras funktion, och deras plats kan användas för att förbättra enzymets prestanda för att bättre bryta ner biomassa och omvandla avfall från växtmaterial till förnybara bränslen och produkter. (Foto av Dennis Schroeder/NREL)

"Enzymer för att bryta ner cellulosa är notoriskt svåra att konstruera för förbättrad aktivitet, "säger NREL -personalingenjör Brandon Knott, medförfattare till tidningen. "Det har länge insetts att glykosylering är en" ratt att vända "i denna strävan, men de olika glykanernas specifika roller har varit svårfångade. "

Med osäkerhet kring hur de olika typerna av glykaner förhåller sig till olika enzymfunktioner, NREL utvecklade ett unikt rekombinant uttryckssystem för att testa nya enzymer, producerar en stor samling Cel7A -mutanter som saknade olika kombinationer av glykosyleringsställen. Ett team av forskare från NREL, University of Georgia, och University of Colorado, Flyttblock, karakteriserade sedan alla mutanta enzymer och jämförde funktionerna med de hos det nativa enzymet för att samla kritisk data om sambandet mellan den specifika glykanen, dess funktion, och dess läge.

"Baserat på litteraturen, vi trodde redan att vi visste var alla glykosyleringsställen ligger, "sa medförfattaren Antonella Amore, en postdoktor vid NREL. "I bekräftelsen av deras platser, vi upptäckte inte bara nya glykaner, vi klargjorde också strukturerna för glykaner på varje specifik plats. Detta ger inblick i hur mikroben skyddar och dekorerar sina enzymer för optimal aktivitet, som i sin tur ger ledtrådar om hur man kan förbättra dem för industriella applikationer. "

Få en djupare förståelse av den grundläggande strukturen, fungera, och förhållanden mellan proteiner är grundläggande för att hjälpa till att utforma nya strategier för att förbättra den totala enzymprestandan. Men att bygga ett överlägset enzym kräver förståelse för en enorm kombination av faktorer. Det är viktigt att veta vilka glykaner som skyddar mot proteasattacker, vilka är viktiga för att binda till enzymstabilitet, och som är viktiga för enzymbindning och aktivitet. NREL:s resultat har avslöjat att beroende på dess typ och var den är fäst, glykosylering är viktigt för att stärka bindningen av Cel7A till cellulosa, skydda enzymet mot proteaser som bryter ner proteinet, och förstärker enzymets termiska stabilitet, vilket gör att enzymet kan fortsätta arbeta vid temperaturer som skulle uppstå vid en industriell biomassaomvandlingsprocess.