Celuloza, koja pomaže da zidovi biljnih ćelija daju njihovu krutu strukturu, obećava kao obnovljiva sirovina za biogoriva – ako istraživači mogu da ubrzaju proces proizvodnje. U poređenju sa razgradnjom drugih materijala za biogorivo kao što je kukuruz, razgradnja celuloze je spora i neefikasna, ali bi mogla da izbegne zabrinutost oko korišćenja izvora hrane uz iskorištavanje obilja biljnih materijala koji bi inače mogli otići u otpad. Novo istraživanje koje su vodili istraživači Penn State otkrilo je kako nekoliko molekularnih prepreka usporava ovaj proces.
Najnovija studija tima, objavljena u časopisu PNAS, opisuje molekularni proces kojim celobioza — fragment celuloze od dva šećera koji nastaje tokom dekonstrukcije celuloze — može začepiti cevovod i ometati kasniji razgradnju celuloze.
Proizvodnja biogoriva se oslanja na razlaganje jedinjenja poput skroba ili celuloze u glukozu, koja se zatim može efikasno fermentisati u etanol za upotrebu kao gorivo ili pretvoriti u druge korisne materijale. Preovlađujuća opcija biogoriva na tržištu danas se proizvodi od kukuruza, delom zato što se, kažu istraživači, njihov skrob lako razgrađuje.
„Postoji nekoliko zabrinutosti u vezi sa korišćenjem kukuruza kao izvora biogoriva, uključujući nadmetanje sa globalnim snabdevanjem hranom i velikom količinom gasova staklene bašte proizvedenih pri generisanju etanola na bazi kukuruza“, rekao je Čarls Anderson, profesor biologije na Penn State Eberli College of Nauka i autor rada.
„Obećavajuća alternativa je razbijanje celuloze iz nejestivih delova biljaka kao što su stabljike kukuruza, drugi biljni otpad kao što je šumski ostaci, i potencijalno namenski usevi koji bi se mogli uzgajati na marginalnom zemljištu. Ali jedna od glavnih stvari koja koči tako- koja se naziva biogoriva druge generacije od ekonomske konkurentnosti je to što je trenutni proces razgradnje celuloze spor i neefikasan.“
„Koristili smo relativno novu tehniku snimanja da bismo istražili molekularne mehanizme koji usporavaju ovaj proces.“
Celuloza se sastoji od lanaca glukoze, koji se drže zajedno vodoničnim vezama u kristalne strukture. Naučnici koriste enzime zvane celulaze, izvedene iz gljivica ili bakterija, da razbiju biljni materijal i izvuku glukozu iz celuloze. Ali, rekli su istraživači, kristalna struktura celuloze uparena sa drugim jedinjenjima zvanim ksilan i lignin – takođe prisutnim u ćelijskim zidovima – predstavlja dodatne izazove za razgradnju celuloze. Tradicionalne tehnike, međutim, nisu mogle da otkriju specifične molekularne mehanizme ovih usporavanja.
Da bi istražili ove nejasne mehanizme, istraživači su hemijski označili pojedinačne celulaze fluorescentnim markerima. Zatim su koristili Penn State-ov SCATTIRSTORM mikroskop, koji je tim dizajnirao i napravio upravo za ovu svrhu, da bi pratili molekule kroz svaki korak procesa razgradnje i interpretirali rezultujuće video zapise koristeći računarsku obradu i biohemijsko modeliranje.
„Tradicionalne metode posmatraju proces razgradnje u većem obimu, veštački manipulišu pozicijom enzima ili samo hvataju molekule u pokretu, što znači da možete propustiti neke od procesa koji se javljaju u prirodi“, rekao je Vil Henkok, profesor biomedicinskog inženjerstva u Pennu. Državni koledž inženjeringa i autor rada. „Koristeći mikroskop SCATTIRSTORM, bili smo u mogućnosti da posmatramo pojedinačne enzime celulaze u akciji kako bismo zaista shvatili šta usporava ovaj proces i generisali nove ideje kako da ga učinimo efikasnijim.
Istraživači su posebno proučavali efekat enzima gljivične celulaze pod nazivom Cel7A. Kao deo procesa razgradnje, Cel7A dovodi celulozu u neku vrstu molekularnog tunela, gde se ona seče.
„Cel7A pomera lanac glukoze do ‘prednjih vrata’ tunela, lanac se cepa, a proizvodi izlaze na ‘zadnja vrata’ u neku vrstu cevovoda“, rekao je Daguan Nong, pomoćnik profesora biomedicinskog inženjerstva u Penn State College of Engineering i prvi autor rada.
„Nismo baš sigurni kako enzim vodi lanac glukoze u tunel ili šta se tačno dešava unutra, ali smo iz prethodnih studija znali da proizvod koji izlazi na zadnja vrata, celobioza, može da ometa preradu naknadne celuloze. molekule, sada znamo više o tome kako se to meša.“
Unutar tunela, Cel7A seče celulozu – koja ima ponavljajuće jedinice glukoze – u fragmente celobioze sa dva šećera. Istraživači su otkrili da se celobioza u rastvoru može vezati za „zadnja vrata“ tunela, što može usporiti izlazak narednih molekula celobioze jer u suštini blokira put. Pored toga, otkrili su da se može vezati za Cel7A blizu ulaznih vrata, sprečavajući enzim da se veže za dodatnu celulozu.
„Pošto je celobioza toliko slična celulozi, možda nije iznenađujuće što mali komadići mogu da uđu u tunel“, rekao je Hancock. „Sada kada imamo bolje razumevanje o tome kako tačno celobioza uništava stvari, možemo da istražimo nove načine za fino podešavanje ovog procesa. Na primer, mogli bismo da promenimo prednja ili zadnja vrata tunela ili promenimo aspekte enzima Cel7A da budemo efikasniji u sprečavanju ove inhibicije. Bilo je mnogo posla da se konstruišu efikasniji enzimi celulaze, i to je neverovatno moćan pristup. Bolje razumevanje molekularnih mehanizama koji ograničavaju razgradnju celuloze usmerite ovaj napor“.
Ovo istraživanje nadovezuje se na nedavni rad istraživačkog tima na razumevanju drugih prepreka u procesu degradacije — ksilana i lignina — koje su nedavno objavili u RSC održivosti i biotehnologiji za biogoriva i bioproizvode.
„Otkrili smo da ksilan i lignin deluju na različite načine kako bi ometali razgradnju celuloze“, rekla je Nerija Zekser, postdoktorski istraživač biologije na Penn State Eberli College of Science i glavni autor RSC dokumenta o održivosti. „Ksilan oblaže celulozu, smanjujući udeo enzima koji se mogu vezati i pomerati celulozu. Lignin inhibira sposobnost enzima da se veže za celulozu, kao i njegovo kretanje, smanjujući brzinu i udaljenost enzima.“
Iako postoje strategije za uklanjanje komponenti poput ksilana i lignina iz celuloze, istraživači kažu da je uklanjanje celobioze teže. Jedna metoda koristi drugi enzim za cepanje celobioze, ali dodaje dodatne troškove i kompleksnost sistemu.
„Oko 50 centi po galonu troškova proizvodnje bioetanola posvećeno je samo enzimima, tako da bi minimiziranje ovog troška učinilo mnogo u smislu da bioetanol iz biljnog otpada bude konkurentniji fosilnim gorivima ili etanolu na bazi kukuruza“, rekao je Anderson. „Nastavićemo da istražujemo kako da konstruišemo enzime i istražujemo kako enzimi mogu da rade zajedno sa ciljem da ovaj proces učinimo što jeftinijim i efikasnijim.“
Istraživački tim u Penn State-u takođe uključuje Zachari Haviland, student dodiplomskih studija na smeru biomedicinsko inženjerstvo u vreme istraživanja; Sara Pfaf, diplomirani student biologije u vreme istraživanja; Daniel Cosgrove, nosilac katedre za biologiju porodice Eberli; Ming Tien, profesor emeritus biohemije i molekularne biologije; i Alek Paradiso, student osnovnih studija biotehnologije.
