Попытки найти способы быстрее и продуктивнее разрушить целлюлозу, прочный материал, из которого состоят стенки клеток растений, долгое время были целью промышленных исследователей.
Когда растения перерабатываются в биотопливо или другие виды биомассы, целлюлоза сначала должна быть разложена на более простые молекулы сахара, и этот этап может составлять до четверти операционных и капитальных затрат на производство биотоплива. Если этот процесс можно сделать быстрее и продуктивнее, он не только сэкономит деньги отрасли, но и снизит воздействие производства на окружающую среду.
Молекулы целлюлозы очень сильно связываются друг с другом, что затрудняет разрушение целлюлозы.
Однако некоторые грибы способны разрушать его, и их системы разложения целлюлозы хорошо известны.
Грибы производят множество типов целлюлаз – ферментов, ускоряющих химическую реакцию, разрушающую целлюлозу. По этой причине такие грибы получили широкое распространение в промышленности.
Например, гриб Trichoderma reesei, обнаруженный во время Второй мировой войны в Тихом океане в результате его поедания палаток и одежды, используется в производстве джинсов, выстиранных в камне. Целлобиогидролаза, тип целлюлазы, вырабатываемой грибком, расщепляет целлюлозу на целлобиозу, простой сахар, более легко усваиваемый организмами. Это немного ухудшает качество джинсового материала в некоторых местах, что, в свою очередь, смягчает его, создавая впечатление, будто он вымыт камнями, и делает его более удобным для ношения.
Но есть еще один тип системы разложения целлюлозы, используемый некоторыми бактериями и во многом похожий на систему, используемую этим грибком.
Но до сих пор эта система не была хорошо изучена. В статье, опубликованной 18 августа в Journal of Biological Chemistry, исследователи из Японского института молекулярных наук Национального института естественных наук (IMS, NINS) наконец подробно описали эту систему на уровне одной молекулы.
Тип целлобиогидролазы, продуцируемой бактерией Cellulomonas fimi, имеет каталитический домен, аналогичный целлобиогидролазе, продуцируемой T. Reesei. Каталитический домен фермента – это его область, которая взаимодействует с молекулой, которую он хочет изменить или разрушить (чтобы вызвать ферментативную реакцию). И грибок, и система разложения целлюлозы бактериями также проявляют аналогичную гидролитическую активность (способ, которым они используют воду для разрушения химических связей целлюлозы).
Но две системы имеют разные связывающие углеводы модули (ряд белков в ферменте, которые связываются с углеводами в целлюлозе) и так называемые «линкеры», по сути, часть фермента, которая связывает каталитический домен с углеводом. -обвязочные модули.
В более ранних исследованиях ученые NINS уже установили, что структура линкерной области грибковой целлобиогидролазы играет решающую роль в том, насколько быстро фермент связывается с целлюлозой (и, следовательно, насколько быстро система разлагает целлюлозу).
"Итак, очевидными следующими вопросами были: хотя эти другие части целлобиогидролазы бактерии отличаются от таковых у гриба, тем не менее они делают что-то подобное??"- сказали исследователи группы Акихико Накамура и Рёта Иино. "Ускоряют ли они также деградацию целлюлозы??"
Они обнаружили, что они делают.
Ученые использовали флуоресцентную визуализацию одиночных молекул – передовой метод микроскопии, позволяющий получать изображения живых клеток с разрешением всего в десятки нанометров – для наблюдения за связыванием целлобиогидролазы бактерий с молекулами целлюлозы и их диссоциацией.
Это позволило им уточнить функции различных частей системы разложения целлюлозы. Они обнаружили, что модули связывания углеводов действительно важны для начального связывания, но роль, которую играет линкерная область, была довольно незначительной.
Однако они обнаружили, что каталитический домен все-таки не так похож. Его структура показывала более длинные петли на входе и выходе из «туннеля» в сердце системы по сравнению с петлями гриба.
И это различие в туннельной структуре приводит к более высокой процессивности – способности фермента запускать несколько последовательных реакций.
Следующими шагами будет разработка этих ферментов, разрушающих бактериальную целлюлозу, для более быстрого расщепления целлюлозы.