Forskare vid TU Graz i Österrike har för första gången någonsin lyckats visualisera på singelmolekylnivå de processer som är involverade i en biologisk nanomaskin, känd som cellulosomen, eftersom det bryter ned kristallin cellulosa. De grundläggande insikterna som sålunda erhållits skulle kunna stödja hållbara koncept för cellulosautnyttjande för att göra ett genombrott inom industriell bioteknik.

Växtkomponenten cellulosa är en extremt resistent, vattenolöslig polymer som är svår att bryta ner. Detta försvårar en effektiv och hållbar användning av växtbiomassa i bioraffinaderier. "Först när det finns hållbara och kostnadseffektiva metoder för nedbrytning av cellulosa kommer vi att börja producera bränslen, kemikalier och material i stor skala från växtbiomassa, " förklarar Bernd Nidetzky, bioteknolog och chef för Institutet för bioteknik och biokemiteknik vid TU Graz.

Cellulosanedbrytning i naturen

I naturen, den biologiska nedbrytningen av cellulosa sker antingen genom cellulaser eller genom cellulosomer. Cellulaser är enzymer som skiljer sig åt i sin specificitet och verkningssätt och är synergistiskt involverade i nedbrytningen av cellulosa från vedartade växter som träd eller buskar. Även om individuella cellulaser kan vara belägna i närheten av varandra, de är individuella, fysiskt oberoende enheter. En cellulosom, å andra sidan, är ett proteinkomplex, en ordnad och fysiskt sammankopplad samling av enzymer som är nödvändiga för cellulosanedbrytning.

Bernd Nidetzky och hans team har satt sig i uppgift att bättre förstå och visualisera cellulosomer som väsentligen cellulosanedbrytande biologiska nanomaskiner. Forskarna har nu tagit ett avgörande steg mot detta mål i ett projekt som stöds av den österrikiska vetenskapsfonden (FWF). De kunde visualisera en cellulosom på singelmolekylnivå under cellulosanedbrytning med hjälp av time-lapse atomkraftmikroskopi och på så sätt få insikter i dess funktionssätt. Resultaten har publicerats i tidskriften ACS Central Science .

Nanomaskiner på jobbet

Rent konkret, forskarna dokumenterar nedbrytningen av cellulosa med hjälp av en cellulosom från bakterien Clostridium thermocellum. Det visas att cellulosomen dynamiskt anpassar sig till cellulosans olika ytförhållanden. "När man binder till cellulosa, cellulosomen övergår till långsträckt, även trådliknande former och omvandlar dem dynamiskt på en tidsskala på mindre än en minut enligt kraven på den angripna cellulosaytan. Jämfört med cellulaser, som lossnar material när de glider längs kristallina cellulosaytor, cellulosomer förblir lokalt bundna i minuter och tar bort det underliggande materialet. Den efterföljande uppruggningen av ytan leder till effektiv nedbrytning av cellulosa nanokristaller, " förklarar Bernd Nidetzky.

Utsikter för bioraffinaderier

"Våra analyser visar att cellulosomer är extremt effektiva när det gäller att bryta ner cellulosa. De kan därför spela en central roll i utvecklingen av nya metoder för bioraffinaderier, " betonade Nidetzky. Genom att utnyttja de olika verkningsmekanismerna hos enzymkomplex i form av en cellulosom och fria enzymer, cellulosanedbrytning kan utföras snabbare, mer fullständigt och med mindre enzymbehov. Synergierna mellan nedbrytningsmekanismerna för cellulas och cellulosomer skulle således kunna hjälpa till vid utformningen av hybridcellulassystem och ge nya perspektiv för tillämpningar i bioraffinaderier.