Onderzoekers van de TU Graz in Oostenrijk zijn er voor het eerst ooit in geslaagd om op het niveau van één molecuul de processen in een biologische nanomachine te visualiseren, bekend als het cellulosoom, omdat het kristallijne cellulose afbreekt. De aldus verkregen fundamentele inzichten zouden duurzame concepten van het gebruik van cellulose kunnen ondersteunen om een ​​doorbraak te bewerkstelligen in de industriële biotechnologie.

Het plantaardige bestanddeel cellulose is een uiterst resistente, in water onoplosbaar polymeer dat moeilijk afbreekbaar is. Dit bemoeilijkt een efficiënt en duurzaam gebruik van plantaardige biomassa in bioraffinaderijen. "Pas als er duurzame en kostenefficiënte benaderingen zijn voor de afbraak van cellulose, zullen we brandstoffen gaan produceren, chemicaliën en materialen op grote schaal uit plantaardige biomassa, " legt Bernd Nidetzky uit, biotechnoloog en hoofd van het Instituut voor Biotechnologie en Biochemische Engineering aan de TU Graz.

Celluloseafbraak in de natuur

In de natuur, de biologische afbraak van cellulose vindt plaats via cellulasen of via cellulosomen. Cellulasen zijn enzymen die verschillen in hun specificiteit en werkingsmechanisme en die synergetisch betrokken zijn bij de afbraak van cellulose uit houtachtige planten zoals bomen of struiken. Hoewel individuele cellulasen zich dicht bij elkaar kunnen bevinden, ze zijn individueel, fysiek onafhankelijke eenheden. Een cellulose, anderzijds, is een eiwitcomplex, een geordende en fysiek onderling verbonden verzameling enzymen die nodig zijn voor de afbraak van cellulose.

Bernd Nidetzky en zijn team hebben zichzelf tot taak gesteld om cellulosomen beter te begrijpen en te visualiseren als in wezen cellulose-afbrekende biologische nanomachines. In een door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds (FWF) gesteunde project hebben de onderzoekers nu een beslissende stap gezet in de richting van dit doel. Ze waren in staat om een ​​cellulosoom op het niveau van één molecuul tijdens celluloseafbraak te visualiseren door middel van time-lapse atomaire krachtmicroscopie en zo inzicht te krijgen in de manier van werken. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap .

Nanomachines aan het werk

In concrete termen, de onderzoekers documenteren de afbraak van cellulose met een cellulosoom van de bacterie Clostridium thermocellum. Het is aangetoond dat het cellulosoom zich dynamisch aanpast aan de verschillende oppervlaktecondities van de cellulose. "Bij binding aan cellulose, het cellulosoom schakelt over naar langwerpig, zelfs draadachtige vormen en verandert ze dynamisch op een tijdschaal van minder dan een minuut volgens de vereisten van het aangetaste cellulose-oppervlak. In vergelijking met cellulasen, die materiaal losmaken bij het glijden langs kristallijne celluloseoppervlakken, cellulosomen blijven minutenlang lokaal gebonden en verwijderen het onderliggende materiaal. De daaruit voortvloeiende verruwing van het oppervlak leidt tot een efficiënte afbraak van nanokristallen van cellulose, " legt Bernd Nidetzky uit.

Outlook voor bioraffinaderijen

"Onze analyses bewijzen dat cellulosomen uiterst efficiënt zijn in het afbreken van cellulose. Ze zouden daarom een ​​centrale rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van nieuwe benaderingen voor bioraffinaderijen, " benadrukte Nidetzky. Door gebruik te maken van de verschillende werkingsmechanismen van enzymcomplexen in de vorm van een cellulosoom en vrije enzymen, celluloseafbraak kan sneller worden uitgevoerd, vollediger en met minder enzymbehoefte. De synergieën tussen de afbraakmechanismen van cellulase en cellulosomen kunnen dus helpen bij het ontwerpen van hybride cellulasesystemen en nieuwe perspectieven bieden voor toepassingen in bioraffinaderijen.