2024-05-08 19:56 来源：得道网
纤维素有助于植物细胞壁的刚性结构，如果研究人员能够加快生产过程，它有望成为生物燃料的可再生原料。与玉米等其他生物燃料材料的分解相比，纤维素的分解速度缓慢且效率低下，但可以避免使用食物来源的问题，同时利用丰富的植物材料，否则这些材料可能会被浪费。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究揭示了几个分子障碍是如何延缓这一过程的。
该团队发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究描述了纤维素二糖——纤维素分解过程中产生的一种双糖纤维素片段——堵塞管道并干扰随后的纤维素分解的分子过程。
生物燃料的生产依赖于淀粉或纤维素等化合物分解成葡萄糖，然后葡萄糖可以有效地发酵成乙醇作为燃料或转化为其他有用的材料。目前市场上主要的生物燃料选择是由玉米产生的，部分原因是，研究人员说，玉米的淀粉容易分解。
“使用玉米作为生物燃料有几个问题，包括与全球粮食供应的竞争，以及在生产玉米乙醇时产生的大量温室气体，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院的生物学教授、该论文的作者之一查尔斯安德森说。
“一种很有前景的替代方法是分解植物不可食用部分的纤维素，如玉米秸秆，其他植物废物，如林业残留物，以及可能在边缘土地上种植的专用作物。但是阻碍所谓的第二代生物燃料在经济上具有竞争力的主要因素之一是，目前分解纤维素的过程缓慢而低效。”
“我们一直在使用一种相对较新的成像技术来探索减缓这一过程的分子机制。”
纤维素是由葡萄糖链组成的，通过氢键连接在一起形成晶体结构。科学家们使用从真菌或细菌中提取的纤维素酶来分解植物材料并从纤维素中提取葡萄糖。但是，研究人员说，纤维素的晶体结构与其他化合物木聚糖和木质素配对——也存在于细胞壁中——为纤维素的分解提供了额外的挑战。然而，传统技术无法揭示这些减速的具体分子机制。
为了探索这些不清楚的机制，研究人员用荧光标记物对单个纤维素酶进行化学标记。然后，他们使用宾夕法尼亚州立大学的SCATTIRSTORM显微镜，这是该团队为此目的设计和制造的，通过分解过程的每一步来跟踪分子，并使用计算处理和生化建模来解释产生的视频。
宾夕法尼亚州立大学工程学院生物医学工程教授威尔·汉考克(Will Hancock)是该论文的作者之一，他说:“传统的方法是在更大的范围内观察分解过程，人为地操纵酶的位置，或者只捕捉运动中的分子，这意味着你可能会错过一些自然发生的过程。”“使用SCATTIRSTORM显微镜，我们能够观察单个纤维素酶的作用，从而真正了解是什么减慢了这一过程，并为如何提高效率产生新的想法。”
研究人员专门研究了一种叫做Cel7A的真菌纤维素酶的作用。作为分解过程的一部分，Cel7A将纤维素送入一种分子通道，在那里它被切碎。
“Cel7A将葡萄糖链移动到隧道的‘前门’，链被切割，产品以一种管道的方式从‘后门’出来，”宾夕法尼亚州立工程学院生物医学工程助理研究教授、论文的第一作者Daguan Nong说。
“我们不确定这种酶是如何将葡萄糖链连接到隧道的，也不确定隧道内部到底发生了什么，但我们从之前的研究中知道，从后门出来的产物纤维素二糖会干扰随后的纤维素分子的加工。”现在，我们更了解它是如何干扰的。”
在隧道中，Cel7A将纤维素(葡萄糖的重复单位)分解成两个糖的纤维素二糖片段。研究人员发现，溶液中的纤维二糖可以结合在隧道的“后门”上，这可以减缓后续纤维二糖分子的出口，因为它基本上堵塞了通道。此外，他们发现它可以与前门附近的Cel7A结合，阻止酶与额外的纤维素结合。
汉考克说:“因为纤维二糖与纤维素非常相似，所以小碎片进入隧道可能并不奇怪。”“现在我们已经更好地了解了纤维素糖是如何把事情搞砸的，我们可以探索新的方法来微调这一过程。例如，我们可以改变隧道的前门或后门，或者改变Cel7A酶的某些方面，以更有效地防止这种抑制。在过去的二十年里，人们做了很多工作来设计更高效的纤维素酶，这是一种令人难以置信的强大方法。更好地了解限制纤维素降解的分子机制将有助于我们指导这项工作。”
这项研究建立在研究小组最近的工作基础上，以了解降解过程的其他障碍-木聚糖和木质素-他们最近在RSC生物燃料和生物产品的可持续性和生物技术上发表。
“我们发现木聚糖和木质素以不同的方式干扰纤维素的分解，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学博士后研究员、皇家科学委员会可持续发展论文的主要作者内莉亚·泽泽尔说。“木聚糖包裹着纤维素，减少了可以结合和移动纤维素的酶的比例。木质素抑制了酶与纤维素结合的能力以及它的运动，降低了酶的速度和距离。”
尽管存在从纤维素中去除木聚糖和木质素等成分的策略，但研究人员表示，去除纤维素二糖更为困难。一种方法使用第二种酶来切割纤维素二糖，但它增加了额外的成本和系统的复杂性。
安德森说:“每加仑生物乙醇的生产成本中大约有50美分是用于酶的，因此将成本降到最低，将使植物废料中的生物乙醇与化石燃料或玉米乙醇相比更具竞争力。”“我们将继续研究如何设计酶，并探索酶如何协同工作，以使这一过程尽可能低成本和高效。”
宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括扎卡里·哈维兰(Zachary Haviland)，他是研究时主修生物医学工程的本科生;萨拉·普法夫(Sarah Pfaff)，当时正在攻读生物学研究生;埃伯利家族生物学主席丹尼尔·科斯格罗夫;田明，生物化学与分子生物学名誉教授;亚历克·帕拉迪索，生物技术专业的本科生。
更多信息:Daguan Nong等人，单分子追踪揭示Cel7A纤维素酶的双前门/后门抑制其产物纤维素二糖，美国国家科学院院刊(2024)。DOI: 10.1073 / pnas.2322567121
宾夕法尼亚州立大学提供
引文:研究人员揭示了分子障碍如何减缓生物燃料纤维素的分解(2024,5月7日)
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