Разложение целлюлозы в природе
В природе биологическое разложение целлюлозы происходит либо через целлюлазы, либо через целлюлосомы. Целлюлазы – это ферменты, которые различаются по своей специфичности и способу действия и синергетически участвуют в разложении целлюлозы древесных растений, таких как деревья или кустарники.
Хотя отдельные целлюлазы могут располагаться в непосредственной близости друг от друга, они являются индивидуальными, физически независимыми единицами. С другой стороны, целлюлосома – это белковый комплекс, упорядоченный и физически связанный набор ферментов, необходимых для разложения целлюлозы.
Бернд Нидецки и его команда поставили перед собой задачу лучше понять и визуализировать целлюлосомы как биологические наномашины, по сути разрушающие целлюлозу. Теперь исследователи сделали решительный шаг к этой цели в проекте, поддерживаемом Австрийским научным фондом (FWF).
Они смогли визуализировать целлюлосому на уровне одной молекулы во время деградации целлюлозы с помощью покадровой атомно-силовой микроскопии и, таким образом, получить представление о режиме ее работы. Результаты опубликованы в журнале ACS Central Science.
Наномашины в действии
Конкретно, исследователи документируют разложение целлюлозы с использованием целлюлосомы из бактерии Clostridium thermocellum.
Показано, что целлюлосома динамически адаптируется к различным поверхностным условиям целлюлозы. «При связывании с целлюлозой целлюлосома переходит в удлиненные, даже нитевидные формы и динамически трансформирует их в масштабе времени менее одной минуты в соответствии с требованиями к атакованной поверхности целлюлозы. По сравнению с целлюлазами, которые отделяют материал при скольжении по поверхности кристаллической целлюлозы, целлюлосомы остаются локально связанными в течение нескольких минут и удаляют подлежащий материал. Последующее придание шероховатости поверхности приводит к эффективному разрушению нанокристаллов целлюлозы », – поясняет Бернд Нидецки.
Перспективы биоперерабатывающих заводов
"Наши анализы доказывают, что целлюлосомы чрезвычайно эффективны в расщеплении целлюлозы.
Таким образом, они могут сыграть центральную роль в разработке новых подходов к биоперерабатывающим заводам », – подчеркнул Нидецки. Используя различные механизмы действия ферментных комплексов в форме целлюлосомы и свободных ферментов, разложение целлюлозы может осуществляться быстрее, полнее и с меньшими требованиями к ферментам.
Таким образом, синергизм между механизмами разложения целлюлазы и целлюлосом может помочь в разработке гибридных целлюлазных систем и открыть новые перспективы для применения в биоперерабатывающих заводах.