Een team van wetenschappers heeft nieuwe inzichten verkregen over hoe cellulose, het meest voorkomende organische materiaal op aarde en de ruggengraat van plantencelwanden, wordt opgebouwd en onderhouden en hoe dit proces kan worden verstoord. Ze ontdekten dat een groep enzymen, cellulosesynthasen genaamd, in teams werken en opereren met een mate van precisie en choreografie die nog niet in andere biologische systemen is waargenomen.

De bevindingen, gerapporteerd in het tijdschrift Science, kunnen wetenschappers mogelijk begeleiden bij het ontwikkelen van nieuwe en efficiëntere manieren om cellulose af te breken tot suikers die kunnen worden gefermenteerd om biobrandstoffen, zoals ethanol, te produceren.

"Met dit werk hebben we nu een verbeterde blauwdruk van cellulosesynthasecomplexen die we kunnen exploiteren voor de productie van biobrandstoffen, bioproducten en biogebaseerde materialen van de volgende generatie", zegt Alexander Auer, onderzoeksmedewerker bij het Joint Bioenergy Institute (JBEI) van het DOE. ) en hoofdauteur van het onderzoek.

Een derde van het akkerland in de wereld wordt gebruikt om grondstoffen voor transportbrandstoffen te verbouwen, en bijna al die grondstoffen bestaan ​​uit planten, aldus JBEI. De suikers in planten kunnen worden gefermenteerd tot biobrandstoffen, zoals ethanol, maar de suikers zitten opgesloten in de celwanden van de plant in de vorm van cellulose en andere weerbarstige materialen die moeilijk uiteen te vallen zijn.

Het voorbehandelen van het plantmateriaal met cellulase-enzymen, die de cellulose afbreken, kan helpen deze suikers vrij te maken, maar dit proces kan duur en inefficiënt zijn en vereist dure enzymen die moeilijk op grote schaal te produceren zijn.

De onderzoekers in deze studie, met steun van het Bioenergy Research Center van DOE, gebruikten atoomkrachtmicroscopie, waardoor ze met bijna moleculaire resolutie konden zien hoe cellulosesynthasen over een oppervlak bewogen. Ze ontdekten ook dat de locatie en organisatie van de biosynthetische machines voor cellulose verantwoordelijk zijn voor de organisatie van de manier waarop cellulose wordt gebouwd en onderhouden.

"Het complex heeft een bijna kristallijne organisatie, die de meerdere subeenheden, die verantwoordelijk zijn voor de synthese van cellulose, helpt om nauwkeurig en efficiënt langs een zeer gedefinieerd spoor te bewegen tijdens het bouwen van cellulose", aldus Auer. “Het ontwrichten van deze ingewikkelde, zeer geordende machinerie opent nieuwe strategieën om de afbraak van cellulose efficiënter te maken.”

Auer zei dat de bevindingen “een leidraad zullen zijn voor toekomstige benaderingen van eiwittechnologie en synthetische biologie om de efficiëntie te verhogen en de kosten van de enzymatische omzetting van cellulose in brandstoffen en andere verhandelbare producten te verlagen.”