Целлюлоза, которая помогает придать стенкам растительных клеток жесткую структуру, обещает стать возобновляемым сырьем для биотоплива — если исследователи смогут ускорить процесс производства. По сравнению с расщеплением других биотопливных материалов, таких как кукуруза, расщепление целлюлозы происходит медленно и неэффективно, но позволяет избежать проблем, связанных с использованием источника пищи, и в то же время использовать обильные растительные материалы, которые в противном случае могли бы пойти впустую. Новое исследование, проведенное исследователями штата Пенсильвания, показало, как несколько молекулярных препятствий замедляют этот процесс.

Самое последнее исследование команды, опубликованное в «Трудах Национальной академии наук» , описывает молекулярный процесс, посредством которого целлобиоза — двухсахарный фрагмент целлюлозы, который образуется во время разрушения целлюлозы — может закупоривать трубопровод и препятствовать последующему расщеплению целлюлозы. .

Производство биотоплива основано на расщеплении таких соединений, как крахмал или целлюлоза, на глюкозу, которую затем можно эффективно ферментировать в этанол для использования в качестве топлива или превращать в другие полезные материалы. Преобладающий вариант биотоплива на сегодняшнем рынке производится из кукурузы, отчасти потому, что, по словам исследователей, содержащиеся в ней крахмалы легко расщепляются.

«Существует ряд опасений по поводу использования кукурузы в качестве источника биотоплива, включая конкуренцию с глобальными запасами продовольствия и большое количество парниковых газов, образующихся при производстве этанола на основе кукурузы», — сказал Чарльз Андерсон, профессор биологии в Эберли-колледже штата Пенсильвания. Наука и автор статьи.

«Многообещающей альтернативой является расщепление целлюлозы из несъедобных частей растений, таких как стебли кукурузы, других растительных отходов, таких как отходы лесного хозяйства, и потенциально специальных культур, которые можно выращивать на маргинальных землях. «Биотопливо второго поколения, которое называют биотопливом второго поколения экономически конкурентоспособным, заключается в том, что нынешний процесс расщепления целлюлозы медленный и неэффективный».

«Мы использовали относительно новую технику визуализации, чтобы изучить молекулярные механизмы, замедляющие этот процесс».

Целлюлоза состоит из цепочек глюкозы, скрепленных водородными связями в кристаллические структуры. Ученые используют ферменты, называемые целлюлазами, полученные из грибов или бактерий, для расщепления растительного материала и извлечения глюкозы из целлюлозы. Но, по словам исследователей, кристаллическая структура целлюлозы в сочетании с другими соединениями, называемыми ксилан и лигнин, также присутствующими в клеточных стенках, создает дополнительные проблемы для распада целлюлозы. Однако традиционные методы не смогли выявить конкретные молекулярные механизмы этого замедления.

Чтобы изучить эти неясные механизмы, исследователи химически пометили отдельные целлюлазы флуоресцентными маркерами. Затем они использовали микроскоп SCATTIRSTORM от Penn State, который команда разработала и построила именно для этой цели, чтобы проследить молекулы на каждом этапе процесса распада и интерпретировали полученные видео с помощью вычислительной обработки и биохимического моделирования.

«Традиционные методы наблюдают процесс распада в большем масштабе, искусственно манипулируют положением фермента или только захватывают молекулы в движении, что означает, что вы можете пропустить некоторые из естественных процессов», — сказал Уилл Хэнкок, профессор биомедицинской инженерии в Пенсильванском университете. Государственный инженерный колледж и автор статьи. «Используя микроскоп SCATTIRSTORM, мы смогли наблюдать за действием отдельных ферментов целлюлазы, чтобы действительно понять, что замедляет этот процесс, и генерировать новые идеи о том, как сделать его более эффективным».

Исследователи специально изучили эффект грибкового фермента целлюлазы под названием Cel7A. В рамках процесса расщепления Cel7A подает целлюлозу в своего рода молекулярный туннель, где она измельчается.

«Cel7A перемещает цепочку глюкозы к «парадной двери» туннеля, цепь расщепляется, и продукты выходят через «черный ход» по своего рода трубопроводу», — сказал Дагуан Нонг, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Государственный инженерный колледж Пенсильвании и первый автор статьи.

«Мы не совсем уверены в том, как фермент протягивает цепь глюкозы в туннель или что именно происходит внутри, но из предыдущих исследований мы знали, что продукт, который выходит через черный ход, целлобиоза, может мешать последующей обработке целлюлозы. Теперь мы знаем больше о том, как это мешает».

Внутри туннеля Cel7A измельчает целлюлозу, содержащую повторяющиеся звенья глюкозы, на фрагменты целлобиозы, состоящие из двух сахаров. Исследователи обнаружили, что целлобиоза в растворе может связываться с «черным ходом» туннеля, что может замедлить выход последующих молекул целлобиозы, поскольку фактически блокирует путь. Кроме того, они обнаружили, что он может связываться с Cel7A возле входной двери, предотвращая связывание фермента с дополнительной целлюлозой.

«Поскольку целлобиоза очень похожа на целлюлозу, неудивительно, что маленькие кусочки могут попасть в туннель», — сказал Хэнкок. «Теперь, когда мы лучше понимаем, как именно целлобиоза все портит, мы можем изучить новые способы точной настройки этого процесса. Например, мы могли бы изменить переднюю или заднюю дверь туннеля или изменить аспекты фермента Cel7A. чтобы более эффективно предотвращать это ингибирование. За последние два десятилетия была проделана большая работа по разработке более эффективных ферментов целлюлазы, и это невероятно мощный подход. Лучшее понимание молекулярных механизмов , ограничивающих деградацию целлюлозы, поможет нам. направить эти усилия».

Это исследование основано на недавней работе исследовательской группы, направленной на понимание других препятствий на пути процесса деградации — ксилана и лигнина, — которую они недавно опубликовали в журнале RSC Sustainability and Biotechnology for Biofuels and Bioproducts.

«Мы обнаружили, что ксилан и лигнин действуют по-разному, мешая расщеплению целлюлозы», — сказала Нерия Зексер, постдокторант биологии в Научном колледже штата Пенсильвания в Эберли и ведущий автор статьи RSC Sustainability. «Ксилан покрывает целлюлозу, уменьшая долю ферментов, которые могут связываться с целлюлозой и перемещать ее. Лигнин подавляет способность фермента связываться с целлюлозой, а также ее движение, уменьшая скорость и расстояние фермента».

Хотя существуют стратегии удаления таких компонентов, как ксилан и лигнин, из целлюлозы, исследователи говорят, что удаление целлобиозы сложнее. В одном методе для расщепления целлобиозы используется второй фермент , но это увеличивает стоимость и сложность системы.

«Около 50 центов за галлон затрат на производство биоэтанола приходится только на ферменты, поэтому минимизация этих затрат будет иметь большое значение с точки зрения повышения конкурентоспособности биоэтанола из растительных отходов по сравнению с ископаемым топливом или этанолом на основе кукурузы», — сказал Андерсон. «Мы продолжим исследовать, как создавать ферменты, и исследовать, как ферменты могут работать вместе, чтобы сделать этот процесс максимально дешевым и эффективным».