Ansträngningar för att hitta sätt att bryta ner cellulosa – det tuffa som utgör växternas cellväggar – snabbare och mer produktivt har länge varit ett mål för industriforskare.

När växter bearbetas till biobränslen eller andra biomassaapplikationer, cellulosa måste först brytas ned i enklare sockermolekyler, och detta steg kan representera upp till en fjärdedel av drifts- och kapitalkostnaderna för produktion av biobränsle. Om denna process kan göras snabbare och mer produktiv, det kommer inte bara att spara industripengar, men sådana effektivitetsvinster kan också minska produktionens miljöpåverkan.

Cellulosamolekyler binder mycket starkt till varandra, vilket gör cellulosa mycket svår att bryta ner. Vissa svampar kan bryta ner det, dock, och deras cellulosanedbrytningssystem är välkända.

Svampar producerar många typer av cellulaser —Enzymer som påskyndar den kemiska reaktion som bryter ner cellulosa. Och sådana svampar har använts i stor utsträckning i industrin av denna anledning. Till exempel, svampen Trichoderma reesei -som upptäcktes under andra världskriget i Stilla havet till följd av att de tär på tält och kläder-används vid tillverkning av sten tvättade jeans. Cellobiohydrolas , en typ av cellulas som svampen producerar, bryter ner cellulosa till cellobios, ett enkelt socker som är lättare att använda av organismer. Detta försämrar denimmaterialet något på sina ställen, vilket i sin tur mjukar upp det – vilket gör att det ser ut som om det är tvättat med stenar – och gör det mer bekvämt att bära.

Men det finns en annan typ av cellulosanedbrytningssystem som används av vissa bakterier, och som på många sätt liknar det som används av denna svamp. Men detta system har inte varit särskilt väl förstått förrän nu. I en tidning i Journal of Biological Chemistry den 18 augusti, forskare från Japans institut för molekylär vetenskap, National Institutes of Natural Sciences (IMS, NINS) har slutligen beskrivit detta system i detalj på singelmolekylnivå.

Den typ av cellobiohydrolas som bakterien producerar Cellulomonas fimi har en liknande katalytisk domän som cellobiohydrolaset som produceras av T. reesei . Den katalytiska domänen av ett enzym är dess region som interagerar med en molekyl som den vill förändra eller bryta ner (för att orsaka den enzymatiska reaktionen). Både svampen och bakteriernas cellulosanedbrytningssystem uppvisar också liknande hydrolytisk aktivitet (det sätt som de använder vatten för att bryta ner cellulosans kemiska bindningar).

Men de två systemen har olika kolhydratbindande moduler (serien av proteiner i enzymet som binder till kolhydraterna i cellulosan) och vad som kallas "länkar", i huvudsak den del av enzymet som länkar den katalytiska domänen till de kolhydratbindande modulerna.

I tidigare forskning, NINS-forskarna hade redan fastställt att strukturen av länkregionen av svampens cellobiohydrolas spelade en avgörande roll för hur snabbt enzymet binder till cellulosa (och därmed hur snabbt systemet bryter ner cellulosa).

"Så de uppenbara nästa frågorna var:Även om dessa andra delar av bakteriens cellobiohydrolas skiljer sig från svampens, gör de ändå något liknande? "sa Akihiko Nakamura och Ryota Iino, forskarna i teamet. "Påskyndar de också cellulosas nedbrytning?"

De fann att de gör det. Forskarna använde enmolekylär fluorescensavbildning-en avancerad metod för mikroskopi som levererar bilder av levande celler med en upplösning på bara tiotals nanometer-för att observera bakteriens cellobiohydrolas som binder till och dissocierar från cellulosamolekyler.

Detta gjorde det möjligt för dem att klargöra funktionerna hos de olika delarna av cellulosanedbrytningssystemet. De fann att de kolhydratbindande modulerna verkligen var viktiga för den initiala bindningen, men den roll som länkregionen spelade var ganska liten.

Dock, de fann att den katalytiska domänen inte var så lika trots allt. Dess struktur visade längre slingor vid ingången och utgången av en "tunnel" i hjärtat av systemet jämfört med svampens. Och denna skillnad i tunnelstrukturen resulterar i högre processivitet - förmågan hos ett enzym att utlösa flera på varandra följande reaktioner.

Nästa steg blir att konstruera dessa bakteriella cellulosanedbrytande enzymer för att bryta ner cellulosa snabbare.