Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nieuwe inzichten gekregen in hoe glycosylering - de natuurlijke aanhechting van suikers aan eiwitten - een belangrijk cellulase-enzym beïnvloedt. Dit werk kan worden gebruikt om de enzymprestaties te verbeteren om biomassa beter af te breken en afval van plantaardig materiaal om te zetten in hernieuwbare brandstoffen en producten. Namelijk, hoe effectiever het enzym, hoe efficiënter en economischer het proces zal zijn.

Het nieuwe onderzoek, die zich richt op het enzym Cel7A dat cellulose in planten afbreekt tot suikers, wordt gedetailleerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) in een manuscript met de titel "Verschillende rollen van N- en O-glycans in cellulase-activiteit en stabiliteit." Deze studie werpt licht op de specifieke functies van kleine suikers, of glycanen, die microben hechten aan hun enzymen. Deze enzymatische modificatie door de toevoeging van suikers wordt "glycosylering" genoemd en het is bekend dat het een aanzienlijke invloed heeft op de enzymfunctie.

Een vrouw en een man werken op een laboratoriumbank omringd door laboratoriumapparatuur.

Postdoctoraal onderzoeker Antonella Amore en Senior Engineer Brandon Knott werken aan monsters in het laboratorium. Het nieuwe onderzoek naar de relaties tussen kleine suikers (glycanen), hun functie, en hun locatie zou kunnen worden gebruikt om de enzymprestaties te verbeteren om biomassa beter af te breken en afval van plantaardig materiaal om te zetten in hernieuwbare brandstoffen en producten. (Foto door Dennis Schroeder/NREL)

"Enzymen voor het afbreken van cellulose zijn notoir moeilijk te ontwikkelen voor verbeterde activiteit, " zei NREL Stafingenieur Brandon Knott, een co-auteur van het artikel. "Het is al lang bekend dat glycosylering een 'knop om aan te draaien' is in dit streven, maar de specifieke rollen van de verschillende glycanen zijn ongrijpbaar geweest."

Met onzekerheid over hoe de verschillende soorten glycanen zich verhouden tot verschillende enzymfuncties, NREL ontwikkelde een uniek recombinant expressiesysteem om nieuwe enzymen te testen, het produceren van een grote verzameling Cel7A-mutanten die verschillende combinaties van glycosyleringsplaatsen misten. Een team van onderzoekers van NREL, de Universiteit van Georgië, en de Universiteit van Colorado, Kei, karakteriseerde vervolgens alle mutante enzymen en vergeleek de kenmerken met die van het natieve enzym om kritische gegevens te verzamelen over de relaties tussen het specifieke glycaan, zijn functie, en de locatie ervan.

"Op basis van de literatuur, we dachten al dat we de locatie van alle glycosyleringsplaatsen wisten, " zei co-auteur Antonella Amore, een postdoctoraal onderzoeker bij NREL. "Bij het bevestigen van hun locaties, we hebben niet alleen nieuwe glycanen ontdekt, we hebben ook de structuren van de glycanen op elke specifieke plaats opgehelderd. Dit geeft inzicht in hoe de microbe zijn enzymen beschermt en decoreert voor optimale activiteit, wat op zijn beurt aanwijzingen geeft over hoe ze kunnen worden verbeterd voor industriële toepassingen."

Het verkrijgen van een dieper begrip van de basisstructuur, functie, en relaties van eiwitten is van fundamenteel belang voor het helpen ontwerpen van nieuwe strategieën om de algehele enzymprestaties te verbeteren. Maar het bouwen van een superieur enzym vereist inzicht in een enorme combinatie van factoren. Het is belangrijk om te weten welke glycanen beschermen tegen protease-aanvallen, welke essentieel zijn voor binding aan enzymstabiliteit, en die essentieel zijn voor enzymbinding en activiteit. Uit de bevindingen van NREL is gebleken dat, afhankelijk van het type en waar het is bevestigd, glycosylering is belangrijk voor het versterken van de binding van Cel7A aan cellulose, het enzym beschermen tegen proteasen die het eiwit afbreken, en het versterken van de thermische stabiliteit van het enzym, waardoor het enzym kan blijven werken bij temperaturen die zouden optreden bij een industrieel omzettingsproces van biomassa.