Wetenschap
Onderzoekers onthullen hoe moleculaire wegversperringen de afbraak van cellulose voor biobrandstoffen vertragen
Het meest recente onderzoek van het team, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , beschrijft het moleculaire proces waardoor cellobiose – een fragment van cellulose met twee suikers dat wordt gemaakt tijdens de deconstructie van cellulose – de pijpleiding kan verstoppen en de daaropvolgende afbraak van cellulose kan verstoren.
De productie van biobrandstoffen is afhankelijk van de afbraak van verbindingen zoals zetmeel of cellulose in glucose, die vervolgens efficiënt kan worden gefermenteerd tot ethanol voor gebruik als brandstof of kan worden omgezet in andere nuttige materialen. De belangrijkste biobrandstofoptie die momenteel op de markt is, wordt uit maïs gewonnen, deels omdat, zo zeggen de onderzoekers, hun zetmeel gemakkelijk afbreekt.
"Er zijn verschillende zorgen over het gebruik van maïs als bron van biobrandstof, waaronder de concurrentie met de mondiale voedselvoorziening en de grote hoeveelheid broeikasgassen die worden geproduceerd bij het genereren van op maïs gebaseerde ethanol", zegt Charles Anderson, hoogleraar biologie aan het Penn State Eberly College of Wetenschap en auteur van het artikel.
‘Een veelbelovend alternatief is het afbreken van cellulose uit de niet-eetbare delen van planten zoals maïsstengels, ander plantaardig afval zoals bosbouwresten en mogelijk specifieke gewassen die op marginale gronden zouden kunnen worden verbouwd. Maar een van de belangrijkste dingen die dit tegenhouden... Wat biobrandstoffen van de tweede generatie wordt genoemd omdat ze economisch niet concurrerend zijn, is dat het huidige proces om cellulose af te breken langzaam en inefficiënt is."
"We hebben een relatief nieuwe beeldvormingstechniek gebruikt om de moleculaire mechanismen te onderzoeken die dit proces vertragen."
Cellulose bestaat uit glucoseketens, bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tot kristallijne structuren. Wetenschappers gebruiken enzymen, cellulasen genaamd, afkomstig van schimmels of bacteriën, om plantaardig materiaal af te breken en de glucose uit de cellulose te halen. Maar, aldus de onderzoekers, de kristallijne structuur van cellulose in combinatie met andere verbindingen genaamd xylaan en lignine – die ook aanwezig zijn in celwanden – zorgen voor extra uitdagingen bij de afbraak van cellulose. Traditionele technieken waren echter niet in staat de specifieke moleculaire mechanismen van deze vertragingen bloot te leggen.
Om deze onduidelijke mechanismen te onderzoeken, hebben de onderzoekers individuele cellulasen chemisch gelabeld met fluorescerende markers. Vervolgens gebruikten ze de SCATTIRSTORM-microscoop van Penn State, die het team speciaal voor dit doel had ontworpen en gebouwd, om de moleculen bij elke stap van het afbraakproces te volgen en de resulterende video's te interpreteren met behulp van computationele verwerking en biochemische modellering.
"Traditionele methoden observeren het afbraakproces op grotere schaal, manipuleren de positie van het enzym kunstmatig of vangen alleen bewegende moleculen op, wat betekent dat je een deel van het natuurlijk voorkomende proces mist", zegt Will Hancock, hoogleraar biomedische technologie aan de Penn. State College of Engineering en auteur van het artikel. "Met behulp van de SCATTIRSTORM-microscoop konden we individuele cellulase-enzymen in actie zien om echt te achterhalen wat dit proces vertraagt en nieuwe ideeën te genereren over hoe we het efficiënter kunnen maken."
De onderzoekers bestudeerden specifiek het effect van een schimmelcellulase-enzym genaamd Cel7A. Als onderdeel van het afbraakproces voert Cel7A cellulose in een soort moleculaire tunnel, waar het in stukken wordt gehakt.
"Cel7A verplaatst de glucoseketen naar de 'voordeur' van de tunnel, de keten wordt gespleten en de producten komen via een soort pijplijn via de 'achterdeur' naar buiten", zegt Daguan Nong, assistent-onderzoeksprofessor biomedische technologie in de Penn State College of Engineering en eerste auteur van het artikel.
“We weten niet precies hoe het enzym de glucoseketen naar de tunnel leidt of wat er precies in de tunnel gebeurt, maar we wisten uit eerdere onderzoeken dat het product dat via de achterdeur naar buiten komt, cellobiose, de verwerking van de daaropvolgende cellulose kan verstoren. moleculen. Nu weten we meer over hoe het interfereert."
In de tunnel hakt Cel7A cellulose – dat zich herhalende glucose-eenheden bevat – in cellobiosefragmenten van twee suikers. De onderzoekers ontdekten dat cellobiose in oplossing zich kan binden aan de "achterdeur" van de tunnel, wat de uitgang van daaropvolgende cellobiosemoleculen kan vertragen omdat het in wezen de weg blokkeert. Bovendien ontdekten ze dat het zich kan binden aan Cel7A bij de voordeur, waardoor wordt voorkomen dat het enzym zich aan extra cellulose bindt.
"Omdat cellobiose zo op cellulose lijkt, is het misschien niet verrassend dat de kleine stukjes in de tunnel terecht kunnen komen," zei Hancock. "Nu we beter begrijpen hoe cellobiose de boel verprutst, kunnen we nieuwe manieren verkennen om dit proces te verfijnen. We kunnen bijvoorbeeld de voor- of achterdeur van de tunnel veranderen of aspecten van het Cel7A-enzym veranderen. om efficiënter te zijn in het voorkomen van deze remming. Er is de afgelopen twintig jaar veel werk verricht om efficiëntere cellulase-enzymen te ontwikkelen, en het is een ongelooflijk krachtige aanpak. Een beter begrip van de moleculaire mechanismen die de afbraak van cellulose beperken, zal ons daarbij helpen geef leiding aan deze inspanning."
Dit onderzoek bouwt voort op recent werk van het onderzoeksteam om inzicht te krijgen in andere obstakels voor het afbraakproces – xylan en lignine – dat ze onlangs publiceerden in RSC Sustainability en Biotechnologie voor biobrandstoffen en bioproducten .
"We ontdekten dat xylan en lignine op verschillende manieren werken om de afbraak van cellulose te verstoren", zegt Nerya Zexer, postdoctoraal onderzoeker in de biologie aan het Penn State Eberly College of Science en hoofdauteur van het RSC Sustainability-artikel. "Xylan bedekt de cellulose, waardoor het aandeel enzymen dat zich aan cellulose kan binden en deze kan verplaatsen, wordt verminderd. Lignine remt het vermogen van het enzym om zich aan cellulose te binden, evenals de beweging ervan, waardoor de snelheid en afstand van het enzym worden verminderd."
Hoewel er strategieën bestaan om componenten zoals xylan en lignine uit de cellulose te verwijderen, zeggen de onderzoekers dat de verwijdering van cellobiose moeilijker is. Bij één methode wordt een tweede enzym gebruikt om cellobiose te splitsen, maar dit zorgt voor extra kosten en complexiteit voor het systeem.
"Ongeveer 50 cent per gallon aan productiekosten voor bio-ethanol gaat alleen naar enzymen, dus het minimaliseren van deze kosten zou veel doen om bio-ethanol uit plantaardig afval concurrerender te maken met fossiele brandstoffen of op maïs gebaseerde ethanol," zei Anderson. "We zullen blijven onderzoeken hoe we enzymen kunnen ontwikkelen en onderzoeken hoe enzymen kunnen samenwerken met als doel dit proces zo goedkoop en efficiënt mogelijk te maken."
Tot het onderzoeksteam van Penn State behoort ook Zachary Haviland, een student met als hoofdvak biomedische technologie ten tijde van het onderzoek; Sarah Pfaff, afgestudeerde student biologie ten tijde van het onderzoek; Daniel Cosgrove, houder van de Eberly Family-leerstoel Biologie; Ming Tien, emeritus hoogleraar biochemie en moleculaire biologie; en Alec Paradiso, student met als hoofdvak biotechnologie.