Исследователи раскрыли детали того, как определенный тип бактерий расщепляет целлюлозу. Это открытие может помочь снизить стоимость и воздействие на окружающую среду при использовании биомассы, включая производство биотоплива. Система разложения целлюлозы бактериями в чем-то отличается от того, как грибок уже широко используется в промышленности, в том числе для смягчения джинсовой ткани, чтобы сделать джинсы с эффектом потертости.
Усилия по поиску способов расщепления целлюлозы, жесткого материала, из которого состоят стенки клеток растений, быстрее и продуктивнее уже давно являются целью промышленных исследователей.
Когда растения перерабатываются в биотопливо или другие виды биомассы, целлюлоза должна быть сначала расщеплена на более простые молекулы сахара, и этот шаг 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 прочно связываются друг с другом, что затрудняет расщепление целлюлозы. Однако некоторые грибы способны расщеплять ее, и их системы разложения целлюлозы хорошо известны.
Грибы производят множество типов целлюлаз - ферментов, ускоряющих химическую реакцию, разрушающую целлюлозу. Именно по этой причине такие грибы получили широкое применение в промышленности. Например, грибок Trichoderma reesei, обнаруженный во время Второй мировой войны в Тихом океане в результате разъедания им палаток и одежды, используется в производстве джинсов с потертостями. Целлобиогидролаза, тип целлюлазы, вырабатываемой грибком, расщепляет целлюлозу на целлобиозу, простой сахар, который легче использовать организмам. Это немного портит материал джинсовой ткани в некоторых местах, что, в свою очередь, смягчает ее, создавая впечатление, что она выстирана камнями, и делает ее более удобной для ношения.
Но есть и другой тип системы деградации целлюлозы, используемый некоторыми бактериями, который во многом похож на тот, который используется этим грибком. Но эта система до сих пор не очень хорошо изучена. В статье в Journal of Biological Chemistry от 18 августа исследователи из Японского института молекулярных наук, Национальных институтов 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 расщепить (чтобы вызвать ферментативную реакцию). И грибок, и бактериальная система разложения целлюлозы также проявляют схожую гидролитическую активность (то, как они используют воду для разрушения химических связей целлюлозы).
Но эти две системы имеют разные углеводсвязывающие модули (ряд белков в ферменте, которые связываются с углеводами в целлюлозе) и так называемые «линкеры», по сути, часть фермента, которая связывает углеводы. каталитический домен к модулям связывания углеводов.
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, как быстро система расщепляет целлюлозу).
"Таким образом, следующие очевидные вопросы были такими: хотя эти другие части целлобиогидролазы бактерии отличаются от таковых у грибка, делают ли они, тем не менее, что-то похожее?" - сказали Акихико Накамура и Рёта Иино, исследователи из группы.«Они также ускоряют разложение 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, - чтобы наблюдать, как целлобиогидролаза бактерии связывается с молекулами целлюлозы и отделяется от них.
Это позволило им прояснить функции различных частей системы разложения целлюлозы. Они обнаружили, что модули, связывающие углеводы, действительно были важны для начального связывания, но роль линкерной области была довольно незначительной.
Однако они обнаружили, что каталитический домен не так уж и похож. Его структура показала более длинные петли на входе и выходе из «туннеля» в сердце системы по сравнению с грибком. И эта разница в туннельной структуре приводит к более высокой процессивности - способности фермента запускать несколько последовательных реакций.
Следующим шагом будет разработка этих бактериальных ферментов, разлагающих целлюлозу, для более быстрого расщепления целлюлозы.