Недавнее открытие исследователей Sandia National Laboratories может раскрыть потенциал отходов биотоплива и, в конечном счете, сделать биотопливо конкурентоспособным с нефтью.
Топливо, изготовленное из растений, намного дороже, чем нефть, но одним из способов снижения стоимости может быть продажа продуктов, изготовленных из лигнина, растительных отходов, оставшихся после производства биотоплива.
Лигнин обычно либо сжигают для производства электроэнергии, либо оставляют неиспользованным в кучах, потому что никто еще не определил, как превратить его в полезные продукты, такие как возобновляемые пластмассы, ткани, нейлон и клеи. Электричество недоступно даже для широкой публики; он используется только компаниями, производящими большое количество лигнина, например, производителями целлюлозы и бумаги. Теперь ученые Sandia, работающие с исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Объединенном институте биоэнергетики, расшифровали структуру и поведение LigM, фермента, расщепляющего молекулы, полученные из лигнина.
Работа группы над LigM опубликована в последнем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences. Фермент имеет мало общего с другими, более изученными белками, из-за чего ранее ученые не могли догадаться, как он функционирует. В этой статье впервые раскрыта структура LigM, что открывает путь к новым молекулам и новым товарным продуктам.
Раскрывая тщательно охраняемые тайны природы
В течение десятилетий ученые боролись с проблемой разрушения лигнина, части клеточных стенок растений, которая обеспечивает структуру и защиту от атак бактерий и насекомых. Эта сила также затрудняет деконструкцию лигнина, хотя в последнее время были достигнуты прорывы.
Растительный материал, используемый для производства этанола, может быть предварительно химически или физически обработан, чтобы лигнин разрушался в процессе. Однако эти методы могут быть дорогими и уменьшать количество биотоплива, которое можно собрать. Они также могут помешать сбору лигнина на более поздних стадиях. Вот почему некоторые исследователи сосредоточены на поиске ферментов, которые естественным образом и мягко превращают лигнин.
Ученый из Sandia и ведущий автор Аманда Колер сказала, что ее команда знала, что ферменты могут метаболизировать лигнин и его производные, потому что существуют многолетние записи о бактериях, использующих ферменты для этой цели. Бактерии сфингономы были обнаружены в сточных водах целлюлозного завода более 30 лет назад. Как только исследователи поняли, что уникальные ферментативные пути бактерии позволяют ей жить на лигнине, их задача заключалась в том, чтобы понять ферменты в этих путях, чтобы они могли имитировать то, что уже сделала природа, и продуктивно использовать это понимание.
Ферментативный путь к прибыли
Колер и ее команда сосредоточились на LigM, ферменте, используемом Sphingomonas, потому что он выполняет ключевой этап в превращении производных лигнина и является простейшей из известных ферментных систем, выполняющих эту функцию. «При попытке имитировать естественные системы в лабораторных условиях самые простые и прямые системы являются лучшими», - объяснил Колер.
Команда обнаружила, что половина структуры LigM состоит из общей белковой архитектуры, встречающейся во всех формах жизни, от бактерий до человека. Остальная часть фермента - активная часть - не встречается ни в одной другой известной белковой структуре. Эта уникальная структура дает LigM возможность специфически связываться с молекулами, полученными из лигнина.
«Расшифровка структуры позволяет нам понять, как организм мог развить свою уникальную функцию, что, на мой взгляд, является одним из самых интересных научных открытий», - сказал соавтор статьи и ученый Sandia Кен Сейл. Команда использовала синхротрон Advanced Light Source в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, а также высокопроизводительные вычисления и фундаментальную биохимию, чтобы получить представление о LigM.
LigM предназначен для расщепления производных лигнина, а не самого лигнина. Важно понимать, что функция LigM является лишь одним из ключевых этапов более длительного пути реакций, необходимых для полной деконструкции лигнина. Одна активная область исследований включает в себя поиск других организмов, возможно, грибов, которые могут выполнить первый шаг по разрушению большой массы лигнина на более мелкие фрагменты. Некоторые ученые из Sandia, Сейл и Мэтью Миллс, которые раскрыли структуру LigM, недавно узнали больше о другом ферменте, который помогает расщеплять лигнин на более мелкие фрагменты.
LigM работает на более позднем этапе процесса, когда более мелкие фрагменты лигнина уже были преобразованы в молекулу, называемую ванилиновой кислотой. «Еще предстоит проделать работу, чтобы выяснить весь путь реакции», - говорит Колер.«Но теперь у нас есть столь необходимое понимание ключевого шага в этом процессе, и мы разрабатываем ферменты, соответствующие нашим конечным целям снижения стоимости биотоплива за счет производства продуктов из лигнина».