In een stap naar het verhogen van de kosteneffectiviteit van hernieuwbare biobrandstoffen en bioproducten, wetenschappers van Oak Ridge National Laboratory ontdekten een microbieel enzym dat moeilijk te verbreken bindingen in lignine afbreekt, een afvalproduct van bioraffinaderijen.

Wanneer ingebracht in een bioengineered bacterie, het enzym helpt lignineverbindingen efficiënt om te zetten in een gemeenschappelijk bestanddeel van kunststoffen, een weg openen om afval om te zetten in een commercieel waardevolle biochemische stof.

"Lignine is een heel ingewikkeld polymeer, " zei Josh Michener, die het onderzoek van ORNL leidde, zoals beschreven in Metabolische techniek . het polymeer, wat bijdraagt ​​aan de structurele stijfheid van planten, bestaat uit bruikbare monomeereenheden die bij elkaar worden gehouden door zwakke en sterke bindingen. Met lignine die 20 tot 30 gew.% plantaardige biomassa omvat, het verbreken van de sterke bindingen van het polymeer en het omzetten van de chemicaliën die ze aan elkaar koppelen in producten met toegevoegde waarde is noodzakelijk om de productie van plantaardige biobrandstoffen en producten economisch levensvatbaar te maken.

Diverse gemeenschappen van bacteriën en schimmels voeren deze processen uit in de natuur, maar het kan lastig zijn om een ​​mix van zoveel verschillende microben in één bioreactor te behouden. Om dit probleem op te lossen, ORNL-wetenschappers in het Center for Bioenergy Innovation, of CBI, wil de enzymen identificeren die microben gebruiken om specifieke bindingen in lignine af te breken en de genen die coderen voor die enzymen in een enkel organisme te construeren.

Werken aan dit doel, ORNL-onderzoekers richtten zich op een bijzonder hardnekkige binding die twee koolstofmoleculen in een ligninedimeer verbindt - een eenheid van twee samengevoegde monomeren - genaamd 1, 2-diguaiacylpropaan-1, 3-diol, of DGPD.

Het team gebruikte de bacterie Novosphingobium aromaticivorans, een microbe van belang in ligninevalorisatie. Na het identificeren en cultiveren van een mutante N. aromaticivorans-stam die de gewenste koppeling in DGPD efficiënt afbreekt, de onderzoekers gebruikten bacteriële genetica en gendisruptietechnieken om te achterhalen welk enzym verantwoordelijk was.

Tot hun verbazing, het enzym dat ze identificeerden - dat ze LsdE noemden - was bestempeld als een hypothetisch eiwit, wat betekent dat de functie ervan onbekend was.

"Niemand had dit soort chemie eerder gezien, "Zei Michener. "Er waren geen voorbeelden in de literatuur van een enkel enzym dat deze specifieke transformatie zou kunnen doen."

De ontdekking werd mogelijk gemaakt door de aanpak op genoomschaal van het ORNL-team. Biologische technieken zijn vaak gebaseerd op homologie, een methode om enzymen te onderzoeken die lijken op die met bekende functies. Echter, Michener merkte op, "Als we op zoek zijn naar een hypothetisch eiwit dat nog nooit is beschreven, we kunnen het niet vinden door homologie."

In plaats daarvan, het team gebruikte genetische technieken waarmee ze aanwijzingen konden vinden door breed over het N. aromaticivorans-genoom te kijken. Vervolgens construeerden ze een set gemuteerde microben, elk met een enkel gen verstoord. collectief, elk niet-essentieel gen was verstoord in ten minste één van deze mutanten.

Als de gemuteerde microbe zijn vermogen verloor om het DGPD-dimeer af te breken toen een bepaald gen werd verwijderd, de onderzoekers konden vaststellen dat het enzym dat door dat gen wordt gecodeerd verantwoordelijk was voor de afbraak, zonder de functie van tevoren te kennen.

"In dit geval, er was geen reden waarom we ooit naar LsdE zouden kijken en zeggen dat dit enzym duidelijk die reactie doet, "Zei Michener. "Dat was een van de meest opwindende onderdelen - en het feit dat we methoden hebben om dat soort ontdekkingen te doen."

In een andere microbe, nieuwe mogelijkheden

Na het identificeren van LsdE, het ORNL-team testte om te zien of ze de functie ervan verder konden valideren. Hun test bevestigde de rol van LsdE en onthulde dat een beter bekend enzym, LSD, speelde een complementaire rol bij het verder afbreken van DGPD in bruikbare verbindingen.

Bij het Nationaal Laboratorium voor Hernieuwbare Energie, een projectpartner in CBI, wetenschappers hebben beide enzymen ingebracht in een stam van de bacterie Pseudomonas putida die al was ontwikkeld om muconzuur te produceren, een voorloper met toegevoegde waarde voor kunststoffen. Ze ontdekten dat het toevoegen van de enzymen P. putida in staat stelde DGPD om te zetten in muconzuur met een opbrengst van bijna 100%.

"Bij veel producten je verliest onderweg koolstof, " zei Allison Werner, een postdoctoraal onderzoeker bij NREL en co-auteur van de studie. "Maar in dit geval we hebben een zeer efficiënt traject."

"Naar ons beste analytisch vermogen, elk molecuul van het dimeer waarmee we begonnen, werd omgezet in twee moleculen van het product, wat vrij fenomenaal is, ' zei Michener.

Dit werk maakt deel uit van een grotere inspanning om lignine om te zetten in producten met toegevoegde waarde. Toekomstig onderzoek zal gericht zijn op het ontdekken van nieuwe enzymen die andere taaie verbindingen afbreken en om de chemische structuur van LsdE beter te begrijpen.