Voor de productie van biobrandstoffen zoals ethanol uit plantaardig materiaal zijn verschillende enzymen nodig om de cellulosevezels af te breken. Wetenschappers die neutronenverstrooiing gebruiken, hebben de specifieke kenmerken van een door enzymen gekatalyseerde reactie geïdentificeerd die de totale hoeveelheid gebruikte enzymen aanzienlijk zou kunnen verminderen. productieprocessen te verbeteren en kosten te verlagen.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de North Carolina State University gebruikten een combinatie van röntgen- en neutronenkristallografie om de gedetailleerde atomaire structuur van een gespecialiseerd schimmelenzym te bepalen. Een dieper begrip van de enzymreactiviteit zou ook kunnen leiden tot verbeterde rekenmodellen die industriële toepassingen voor schonere vormen van energie verder zullen begeleiden. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition.

Onderdeel van een grotere familie die bekend staat als lytische polysacharide-mono-oxygenasen, of LPMO's, deze zuurstofafhankelijke enzymen werken samen met hydrolytische enzymen - die grote complexe moleculen chemisch afbreken met water - door de bindingen die celluloseketens bij elkaar houden te oxideren en te verbreken. De gecombineerde enzymen kunnen biomassa sneller verteren dan de huidige enzymen en versnellen het productieproces van biobrandstoffen.

"Deze enzymen worden al gebruikt in industriële toepassingen, maar ze worden niet goed begrepen, " zei hoofdauteur Brad O'Dell, een afgestudeerde student van NC State die werkt in de afdeling Biologie en Zachte Materie van het directoraat Neutronenwetenschappen van ORNL. "Het begrijpen van elke stap in het LPMO-werkingsmechanisme zal de industrie helpen deze enzymen optimaal te gebruiken en, als resultaat, eindproducten goedkoper maken."

In een LPMO-enzym, zuurstof en cellulose regelen zichzelf door een opeenvolging van stappen voordat de biomassa-deconstructiereactie plaatsvindt. Een beetje als "op uw plaats, Maak je klaar, Gaan, ' zegt O'Dell.

Om het reactiemechanisme van het enzym beter te begrijpen, O'Dell en co-auteur Flora Meilleur, ORNL instrumentwetenschapper en universitair hoofddocent bij NC State, gebruikte de IMAGINE neutronenverstrooiingsdiffractometer bij ORNL's Hoge Flux Isotoop Reactor om te zien hoe de enzym- en zuurstofmoleculen zich gedroegen in de stappen die leidden tot de reactie - van de "rusttoestand" naar de "actieve toestand".

De rusttoestand, O'Dell zegt, is waar alle kritische componenten van het enzym samenkomen om zuurstof en koolhydraten te binden. Wanneer elektronen aan het enzym worden afgegeven, het systeem gaat van de rusttoestand naar de actieve toestand, d.w.z. van "op uw plaats" tot "aan de slag."

In de actieve staat, zuurstof bindt aan een koperion dat de reactie initieert. Geholpen door röntgen- en neutronendiffractie, O'Dell en Meilleur hebben een voorheen onzichtbaar zuurstofmolecuul geïdentificeerd dat wordt gestabiliseerd door een aminozuur. histidine 157.

Waterstof is een sleutelelement van aminozuren zoals histidine 157. Omdat neutronen bijzonder gevoelig zijn voor waterstofatomen, het team kon vaststellen dat histidine 157 een belangrijke rol speelt bij het transporteren van zuurstofmoleculen naar het koperion in de actieve plaats, onthullend een essentieel detail over de eerste stap van de LPMO-katalytische reactie.

"Omdat neutronen ons in staat stellen waterstofatomen in het enzym te zien, we hebben essentiële informatie gekregen bij het ontcijferen van de eiwitchemie. Zonder die gegevens, de rol van histidine 157 zou onduidelijk zijn gebleven, " Zei Meilleur. "Neutronen waren instrumenteel bij het bepalen hoe histidine 157 zuurstof stabiliseert om de eerste stap van het LPMO-reactiemechanisme te starten."

Hun resultaten werden vervolgens bevestigd via kwantumchemische berekeningen uitgevoerd door co-auteur Pratul Agarwal van ORNL's Computing and Computational Sciences Directorate.

De voorbereiding van onderzoeksmateriaal werd ondersteund door het ORNL Centre for Structural Molecular Biology. Röntgengegevens werden verzameld bij de Argonne National Laboratory Advanced Photon Source via toegang die werd geboden door het Southeast Regional Collaborative Access Team.

O'Dell zegt dat hun resultaten het huidige begrip van LPMO's voor wetenschappelijke en industriële onderzoekers verfijnen.

"Dit is een grote stap voorwaarts in het ontrafelen van hoe LPMO's de afbraak van koolhydraten initiëren, " zei O'Dell. "Nu moeten we de geactiveerde toestand van het enzym karakteriseren wanneer het eiwit ook is gebonden aan een koolhydraat dat cellulose nabootst. Dan hebben we de kans om te zien welke structurele veranderingen er gebeuren als het startpistool wordt afgevuurd en de reactie begint."