En ny familj av enzymer har konstruerats för att utföra ett av de viktigaste stegen i omvandlingen av växtavfall till hållbara och högvärdiga produkter som nylon, plaster och kemikalier.

Upptäckten leddes av medlemmar i samma brittiska och amerikanska enzymteknikteam som, förra året, konstruerade och förbättrade ett enzym som smälter plast, ett potentiellt genombrott för återvinning av plastavfall. (Länk)

Studien, publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , leddes av professor Jen Dubois vid Montana State University, Dr. Gregg Beckham vid US Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL), Professor Ken Houk vid University of California, Los Angeles tillsammans med professor John McGeehans team vid University of Portsmouth.

Det nytillverkade enzymet är aktivt på lignin - en av huvudkomponenterna i växter, som forskare har försökt i decennier för att hitta ett sätt att bryta ner effektivt.

Professor McGeehan, Direktör för Center for Enzyme Innovation vid School of Biological Sciences i Portsmouth, sa:"Detta är vårt mål - att upptäcka enzymer från naturen, ta med dem till våra laboratorier för att förstå hur de fungerar, sedan konstruera dem för att producera nya verktyg för bioteknikindustrin. I detta fall, vi har tagit ett naturligt förekommande enzym och konstruerat det för att utföra en nyckelreaktion i nedbrytningen av en av de tuffaste naturliga växtpolymererna.

"För att skydda sin sockerhaltiga cellulosa, växter har utvecklat ett fascinerande komplicerat material som kallas lignin som bara ett litet urval av svampar och bakterier kan hantera. Dock, lignin representerar en stor potentiell källa till hållbara kemikalier, så om vi kan hitta ett sätt att utvinna och använda dessa byggstenar, vi kan skapa fantastiska saker."

Lignin fungerar som ställning i växter och är centralt för vattentillförseln. Det ger styrka och även försvar mot patogener.

"Det är ett fantastiskt material, " Professor McGeehan sa, "cellulosa och lignin är bland de vanligaste biopolymererna på jorden. Växternas framgång beror till stor del på den smarta blandningen av dessa polymerer för att skapa lignocellulosa, ett material som är utmanande att smälta."

Nuvarande enzymer tenderar att arbeta på endast en av byggstenarna i lignin, gör nedbrytningsprocessen ineffektiv. Med hjälp av avancerade 3D-strukturella och biokemiska tekniker har teamet kunnat ändra formen på enzymet för att rymma flera byggstenar. Resultaten ger en väg till att tillverka nya material och kemikalier som nylon, bioplaster, och även kolfiber, från det som tidigare varit en restprodukt.

Upptäckten erbjuder också ytterligare miljöfördelar – att skapa produkter från lignin minskar vårt beroende av olja för att tillverka vardagsprodukter och erbjuder ett attraktivt alternativ till att bränna den, bidra till att minska CO2-utsläppen.

Forskargruppen bestod av ett internationellt team av experter inom strukturbiologi, biokemi, kvantkemi och syntetisk biologi vid universiteten i Portsmouth, Montana State, Georgien, Kentucky och Kalifornien, och två amerikanska nationella laboratorier, NREL och Oak Ridge.

Dan Hinchen, en doktorand vid University of Portsmouth sa:"Vi använde röntgenkristallografi vid Diamond Light Source-synkrotronen för att lösa tio enzymstrukturer i komplex med ligninbyggstenar. Detta gav oss ritningen att konstruera ett enzym för att arbeta på nya molekyler. Våra kollegor kunde sedan överföra DNA-koden för detta nya enzym till en industriell stam av bakterier, utökar dess förmåga att utföra flera reaktioner."

Professor McGeehan sa:"Vi har nu principbevis för att vi framgångsrikt kan konstruera denna klass av enzymer för att hantera några av de mest utmanande ligninbaserade molekylerna och vi kommer att fortsätta att utveckla biologiska verktyg som kan omvandla avfall till värdefulla och hållbara material ."