Met behulp van neutronenkristallografie, een onderzoeksteam van Los Alamos heeft de driedimensionale structuur in kaart gebracht van een eiwit dat polysachariden afbreekt, zoals de vezelige cellulose van grassen en houtige planten, een bevinding die zou kunnen helpen de kosten van het maken van biobrandstoffen te verlagen. Het onderzoek richtte zich op een klasse van koperafhankelijke enzymen die lytische polysacharide-mono-oxygenasen (LPMO's) worden genoemd. die bacteriën en schimmels gebruiken om cellulose en nauw verwante chitine-biopolymeren op natuurlijke wijze af te breken.

"Op de lange termijn, inzicht in het mechanisme van deze klasse eiwitten kan leiden tot enzymen met verbeterde eigenschappen die de productie van ethanol steeds economisch haalbaar maken, " zei Julian Chen, een Los Alamos National Laboratory-wetenschapper die aan het onderzoek heeft deelgenomen.

Een team van meerdere instellingen gebruikte de neutronenverstrooiingsfaciliteit bij de Spallation Neutron Source (SNS) in het Oak Ridge National Laboratory en de Advanced Light Source (ALS) synchrotron-röntgenbron bij het Lawrence Berkeley National Laboratory om LPMO te bestuderen. Zowel SNS als ALS zijn DOE Office of Science User Facilities.

Los Alamos Bioscience Division wetenschappers Chen, Clifford Unkefer, en voormalig postdoctoraal fellow John Bacik, werken met medewerkers van het Oak Ridge National Laboratory, Lawrence Berkeley-laboratorium, en de Noorse Universiteit voor Levenswetenschappen, de structuur van een chitine-afbrekende LPMO van de bacterie Jonesia denitrificans (JdLPMO10A) opgelost. De resultaten van het team worden gepubliceerd in het tijdschrift Biochemie .

Een van de grootste uitdagingen waarmee biobrandstofwetenschappers worden geconfronteerd, is het vinden van kosteneffectieve manieren om polysachariden zoals zetmeel en cellulose uit elkaar te halen, die wijdverbreid zijn in planten, in hun subcomponent suikers voor de productie van biobrandstoffen. LPMO-enzymen, die als de sleutel tot dit proces worden beschouwd, gebruik een enkel koperion om zuurstof te activeren, een cruciale stap voor de katalytische afbrekende werking van het enzym.

Hoewel het specifieke mechanisme van de LPMO-actie onzeker blijft, men denkt dat katalyse de initiële vorming van een superoxide inhoudt door elektronenoverdracht van het gereduceerde koperion. Door de locatie van het koperion en de constellatie van atomen ernaast te begrijpen, de onderzoekers hopen meer te weten te komen over de functie van het enzym. Om dit te doen, ze vertrouwen eerst op het bepalen van de structuur van het enzym.

Hoewel er momenteel een aantal röntgenkristallografische structuren beschikbaar zijn voor LPMO's van schimmel- en bacteriesoorten, deze nieuwe structuur is completer. De onderzoekers gebruikten röntgenkristallografie om de driedimensionale structuur in duidelijke details op te lossen van alle atomen behalve waterstofatomen, de kleinste en meest voorkomende atomen in eiwitten. Waterstofatoomposities zijn belangrijk voor het ophelderen van functionele kenmerken van het doeleiwit en kunnen het best worden gevisualiseerd met behulp van een neutronenkristallografie. De onderzoekers gebruikten deze complementaire techniek, om de driedimensionale structuur van de LPMO te bepalen, maar met de nadruk op de waterstofatomen.

Opmerkelijk, in deze studie is het gekristalliseerde LPMO-enzym betrapt op het binden van zuurstof. Samen met de recente structuren van LPMO's van een grote verscheidenheid aan schimmel- en bacteriesoorten, de resultaten van deze studie wijzen op een gemeenschappelijk mechanisme voor het afbreken van cellulosebiomassa ondanks grote verschillen in hun eiwitsequenties. Deze studie heeft meer inzicht gegeven in het werkingsmechanisme van LPMO's, met name de rol van het koperion en de aard van de betrokkenheid van zuurstof.

Onderzoek naar biobrandstoffen maakt deel uit van de missie van het Los Alamos National Laboratory, gericht op het integreren van onderzoeks- en ontwikkelingsoplossingen om een ​​maximale impact te bereiken op strategische nationale veiligheidsprioriteiten zoals nieuwe energiebronnen.