纖維素有助于植物細(xì)胞壁的剛性結(jié)構(gòu)，如果研究人員能夠加快生產(chǎn)過(guò)程，它有望成為生物燃料的可再生原料。與玉米等其他生物燃料材料的分解相比，纖維素的分解速度緩慢且效率低下，但可以避免使用食物來(lái)源的問(wèn)題，同時(shí)利用豐富的植物材料，否則這些材料可能會(huì)被浪費(fèi)。賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究揭示了幾個(gè)分子障礙是如何延緩這一過(guò)程的。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的最新研究描述了纖維素二糖——纖維素分解過(guò)程中產(chǎn)生的一種雙糖纖維素片段——堵塞管道并干擾隨后的纖維素分解的分子過(guò)程。

生物燃料的生產(chǎn)依賴于淀粉或纖維素等化合物分解成葡萄糖，然后葡萄糖可以有效地發(fā)酵成乙醇作為燃料或轉(zhuǎn)化為其他有用的材料。目前市場(chǎng)上主要的生物燃料選擇是由玉米產(chǎn)生的，部分原因是，研究人員說(shuō)，玉米的淀粉容易分解。

“使用玉米作為生物燃料有幾個(gè)問(wèn)題，包括與全球糧食供應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，以及在生產(chǎn)玉米乙醇時(shí)產(chǎn)生的大量溫室氣體，”賓夕法尼亞州立大學(xué)埃伯利科學(xué)學(xué)院的生物學(xué)教授、該論文的作者之一查爾斯安德森說(shuō)。

“一種很有前景的替代方法是分解植物不可食用部分的纖維素，如玉米秸稈，其他植物廢物，如林業(yè)殘留物，以及可能在邊緣土地上種植的專用作物。但是阻礙所謂的第二代生物燃料在經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素之一是，目前分解纖維素的過(guò)程緩慢而低效?！?/p>

“我們一直在使用一種相對(duì)較新的成像技術(shù)來(lái)探索減緩這一過(guò)程的分子機(jī)制?！?/p>

纖維素是由葡萄糖鏈組成的，通過(guò)氫鍵連接在一起形成晶體結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們使用從真菌或細(xì)菌中提取的纖維素酶來(lái)分解植物材料并從纖維素中提取葡萄糖。但是，研究人員說(shuō)，纖維素的晶體結(jié)構(gòu)與其他化合物木聚糖和木質(zhì)素配對(duì)——也存在于細(xì)胞壁中——為纖維素的分解提供了額外的挑戰(zhàn)。然而，傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法揭示這些減速的具體分子機(jī)制。

為了探索這些不清楚的機(jī)制，研究人員用熒光標(biāo)記物對(duì)單個(gè)纖維素酶進(jìn)行化學(xué)標(biāo)記。然后，他們使用賓夕法尼亞州立大學(xué)的SCATTIRSTORM顯微鏡，這是該團(tuán)隊(duì)為此目的設(shè)計(jì)和制造的，通過(guò)分解過(guò)程的每一步來(lái)跟蹤分子，并使用計(jì)算處理和生化建模來(lái)解釋產(chǎn)生的視頻。

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程教授威爾·漢考克(Will Hancock)是該論文的作者之一，他說(shuō):“傳統(tǒng)的方法是在更大的范圍內(nèi)觀察分解過(guò)程，人為地操縱酶的位置，或者只捕捉運(yùn)動(dòng)中的分子，這意味著你可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些自然發(fā)生的過(guò)程?！薄笆褂肧CATTIRSTORM顯微鏡，我們能夠觀察單個(gè)纖維素酶的作用，從而真正了解是什么減慢了這一過(guò)程，并為如何提高效率產(chǎn)生新的想法?！?/p>

研究人員專門研究了一種叫做Cel7A的真菌纖維素酶的作用。作為分解過(guò)程的一部分，Cel7A將纖維素送入一種分子通道，在那里它被切碎。

“Cel7A將葡萄糖鏈移動(dòng)到隧道的‘前門’，鏈被切割，產(chǎn)品以一種管道的方式從‘后門’出來(lái)，”賓夕法尼亞州立工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程助理研究教授、論文的第一作者Daguan Nong說(shuō)。

“我們不確定這種酶是如何將葡萄糖鏈連接到隧道的，也不確定隧道內(nèi)部到底發(fā)生了什么，但我們從之前的研究中知道，從后門出來(lái)的產(chǎn)物纖維素二糖會(huì)干擾隨后的纖維素分子的加工?！爆F(xiàn)在，我們更了解它是如何干擾的?！?/p>

在隧道中，Cel7A將纖維素(葡萄糖的重復(fù)單位)分解成兩個(gè)糖的纖維素二糖片段。研究人員發(fā)現(xiàn)，溶液中的纖維二糖可以結(jié)合在隧道的“后門”上，這可以減緩后續(xù)纖維二糖分子的出口，因?yàn)樗旧隙氯送ǖ?。此外，他們發(fā)現(xiàn)它可以與前門附近的Cel7A結(jié)合，阻止酶與額外的纖維素結(jié)合。

漢考克說(shuō):“因?yàn)槔w維二糖與纖維素非常相似，所以小碎片進(jìn)入隧道可能并不奇怪?！薄艾F(xiàn)在我們已經(jīng)更好地了解了纖維素糖是如何把事情搞砸的，我們可以探索新的方法來(lái)微調(diào)這一過(guò)程。例如，我們可以改變隧道的前門或后門，或者改變Cel7A酶的某些方面，以更有效地防止這種抑制。在過(guò)去的二十年里，人們做了很多工作來(lái)設(shè)計(jì)更高效的纖維素酶，這是一種令人難以置信的強(qiáng)大方法。更好地了解限制纖維素降解的分子機(jī)制將有助于我們指導(dǎo)這項(xiàng)工作?！?/p>

這項(xiàng)研究建立在研究小組最近的工作基礎(chǔ)上，以了解降解過(guò)程的其他障礙-木聚糖和木質(zhì)素-他們最近在RSC生物燃料和生物產(chǎn)品的可持續(xù)性和生物技術(shù)上發(fā)表。

“我們發(fā)現(xiàn)木聚糖和木質(zhì)素以不同的方式干擾纖維素的分解，”賓夕法尼亞州立大學(xué)埃伯利科學(xué)學(xué)院生物學(xué)博士后研究員、皇家科學(xué)委員會(huì)可持續(xù)發(fā)展論文的主要作者內(nèi)莉亞·澤澤爾說(shuō)?！澳揪厶前w維素，減少了可以結(jié)合和移動(dòng)纖維素的酶的比例。木質(zhì)素抑制了酶與纖維素結(jié)合的能力以及它的運(yùn)動(dòng)，降低了酶的速度和距離?！?/p>

盡管存在從纖維素中去除木聚糖和木質(zhì)素等成分的策略，但研究人員表示，去除纖維素二糖更為困難。一種方法使用第二種酶來(lái)切割纖維素二糖，但它增加了額外的成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。

安德森說(shuō):“每加侖生物乙醇的生產(chǎn)成本中大約有50美分是用于酶的，因此將成本降到最低，將使植物廢料中的生物乙醇與化石燃料或玉米乙醇相比更具競(jìng)爭(zhēng)力?！薄拔覀儗⒗^續(xù)研究如何設(shè)計(jì)酶，并探索酶如何協(xié)同工作，以使這一過(guò)程盡可能低成本和高效?！?/p>

賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還包括扎卡里·哈維蘭(Zachary Haviland)，他是研究時(shí)主修生物醫(yī)學(xué)工程的本科生;薩拉·普法夫(Sarah Pfaff)，當(dāng)時(shí)正在攻讀生物學(xué)研究生;埃伯利家族生物學(xué)主席丹尼爾·科斯格羅夫;田明，生物化學(xué)與分子生物學(xué)名譽(yù)教授;亞歷克·帕拉迪索，生物技術(shù)專業(yè)的本科生。

更多信息:Daguan Nong等人，單分子追蹤揭示Cel7A纖維素酶的雙前門/后門抑制其產(chǎn)物纖維素二糖，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊(2024)。DOI: 10.1073 / pnas.2322567121

賓夕法尼亞州立大學(xué)提供

引文:研究人員揭示了分子障礙如何減緩生物燃料纖維素的分解(2024,5月7日)

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