Forscher enthüllen, wie molekulare Hindernisse den Zelluloseabbau für Biokraftstoffe verlangsamen

Zellulose, die dazu beiträgt, pflanzlichen Zellwänden ihre starre Struktur zu verleihen, ist ein vielversprechender erneuerbarer Rohstoff für Biokraftstoffe, wenn Forscher den Produktionsprozess beschleunigen können. Im Vergleich zum Abbau anderer Biokraftstoffe wie Mais ist der Abbau von Zellulose langsam und ineffizient, könnte aber die Bedenken hinsichtlich der Verwendung einer Nahrungsquelle vermeiden und gleichzeitig reichlich vorhandenes Pflanzenmaterial nutzen, das andernfalls verschwendet werden könnte. Neue Forschungen von Forschern der Penn State University haben gezeigt, wie mehrere molekulare Hindernisse diesen Prozess verlangsamen.

Die neueste Studie des Teams, veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbeschreibt den molekularen Prozess, durch den Cellobiose (ein aus zwei Zuckern bestehendes Fragment der Cellulose, das beim Abbau von Cellulose entsteht) die Rohrleitung verstopfen und den anschließenden Celluloseabbau beeinträchtigen kann.

Bei der Herstellung von Biokraftstoffen werden Verbindungen wie Stärke oder Zellulose in Glukose zerlegt, die dann effizient zu Ethanol zur Verwendung als Kraftstoff vergoren oder in andere nützliche Materialien umgewandelt werden kann. Die vorherrschende Biokraftstoffoption auf dem heutigen Markt wird aus Mais hergestellt, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass die Stärke laut Forschern leicht abgebaut wird.

„Es gibt mehrere Bedenken hinsichtlich der Verwendung von Mais als Biokraftstoffquelle, einschließlich der Konkurrenz zur globalen Nahrungsmittelversorgung und der großen Menge an Treibhausgasen, die bei der Ethanolproduktion auf Maisbasis entstehen“, sagte Charles Anderson, Professor für Biologie am Penn State Eberly College of Wissenschaft und Autor des Artikels.

„Eine vielversprechende Alternative ist der Abbau von Zellulose aus ungenießbaren Pflanzenteilen wie Maisstängeln, anderen Pflanzenabfällen wie forstwirtschaftlichen Rückständen und potenziell speziellen Nutzpflanzen, die auf marginalem Land angebaut werden könnten. Der Grund für die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit von Biokraftstoffen der zweiten Generation liegt darin, dass der derzeitige Prozess des Zelluloseabbaus langsam und ineffizient ist. »

„Wir verwenden eine relativ neue bildgebende Technik, um die molekularen Mechanismen zu erforschen, die diesen Prozess verlangsamen.“

Cellulose besteht aus Glukoseketten, die durch Wasserstoffbrückenbindungen in Kristallstrukturen zusammengehalten werden. Wissenschaftler verwenden Enzyme namens Cellulasen, die aus Pilzen oder Bakterien stammen, um Pflanzenmaterialien abzubauen und Glukose aus der Cellulose zu extrahieren. Forscher sagen jedoch, dass die Kristallstruktur von Cellulose in Kombination mit anderen Verbindungen namens Xylan und Lignin, die auch in Zellwänden vorkommen, eine zusätzliche Herausforderung für den Celluloseabbau darstellt. Traditionelle Techniken haben jedoch die spezifischen molekularen Mechanismen dieser Verlangsamungen nicht aufgedeckt.

Um diese unklaren Mechanismen zu erforschen, markierten die Forscher einzelne Cellulasen chemisch mit Fluoreszenzmarkern. Anschließend verwendeten sie das SCATTIRSTORM-Mikroskop von Penn State, das das Team genau zu diesem Zweck entworfen und gebaut hatte, um Moleküle in jeder Phase des Abbauprozesses zu verfolgen und die resultierenden Videos mithilfe von Computerverarbeitung und biochemischer Modellierung zu interpretieren.

„Herkömmliche Methoden beobachten den Abbauprozess in größerem Maßstab, manipulieren künstlich die Position des Enzyms oder fangen nur sich bewegende Moleküle ein, was bedeutet, dass man Gefahr läuft, einen Teil des natürlichen Prozesses zu verpassen“, sagte Will Hancock, Professor für Biomedizintechnik an der University of Pennsylvania. State College of Engineering und Autor des Artikels. „Mit dem SCATTIRSTORM-Mikroskop konnten wir einzelne Cellulase-Enzyme in Aktion beobachten, um wirklich zu verstehen, was diesen Prozess verlangsamt, und neue Ideen entwickeln, wie er effizienter gestaltet werden kann.“

Die Forscher untersuchten speziell die Wirkung eines Pilz-Cellulase-Enzyms namens Cel7A. Im Rahmen des Abbauprozesses führt Cel7A die Zellulose in eine Art molekularen Tunnel, wo sie zerkleinert wird.

„Cel7A bewegt die Glukosekette zur ‚Vordertür‘ des Tunnels, die Kette wird geteilt und die Produkte kommen in einer Art Pipeline aus der ‚Hintertür‘ heraus“, sagte Daguan Nong, wissenschaftlicher Assistenzprofessor für Biomedizin in vom Penn State College of Engineering und Erstautor der Arbeit.

„Wir wissen nicht genau, wie das Enzym die Glukosekette durch den Tunnel bringt oder was genau im Inneren passiert, aber wir wussten aus früheren Studien, dass das Produkt, das durch die Hintertür herauskommt, die Cellobiose, die weitere Verarbeitung von Cellulose stören kann.“ Jetzt wissen wir mehr darüber, wie dies interferiert.

Im Tunnel schneidet Cel7A Cellulose, die sich wiederholende Glucoseeinheiten enthält, in Cellobiosefragmente aus zwei Zuckern. Forscher haben herausgefunden, dass in Lösung befindliche Cellobiose an die „Hintertür“ des Tunnels binden kann, was den Austritt nachfolgender Cellobiosemoleküle verlangsamen kann, da es den Durchgang im Wesentlichen blockiert. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass es sich in der Nähe des Gates an Cel7A binden kann, wodurch verhindert wird, dass das Enzym an zusätzliche Zellulose bindet.

„Da Cellobiose Zellulose sehr ähnlich ist, ist es vielleicht nicht verwunderlich, dass kleine Stücke in den Tunnel gelangen können“, sagte Hancock. „Da wir nun besser verstehen, wie genau Cellobiose die Dinge durcheinander bringt, können wir neue Wege zur Feinabstimmung dieses Prozesses erkunden. Beispielsweise könnten wir das vordere oder hintere Tor des Tunnels modifizieren oder bestimmte Aspekte des Cel7A-Enzyms modifizieren, um mehr zu erhalten.“ In den letzten zwei Jahrzehnten wurde viel daran gearbeitet, wirksamere Cellulase-Enzyme zu entwickeln, und dies ist ein unglaublich wirksamer Ansatz. Ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Abbau von Cellulose begrenzen Bemühung.

Diese Forschung baut auf den jüngsten Arbeiten des Forschungsteams zum Verständnis anderer Hindernisse für den Abbauprozess – Xylan und Lignin – auf, die sie kürzlich in veröffentlicht haben Nachhaltigkeit von CSR Und Biotechnologie für Biokraftstoffe und Bioprodukte.

„Wir haben herausgefunden, dass Xylan und Lignin den Zelluloseabbau auf unterschiedliche Weise beeinflussen“, sagte Nerya Zexer, Postdoktorandin in Biologie am Penn State Eberly College of Science und Hauptautorin des RSC-Nachhaltigkeitspapiers. „Xylan umhüllt die Zellulose und verringert dadurch den Anteil der Enzyme, die sich an die Zellulose binden und diese bewegen können. Lignin hemmt die Bindungsfähigkeit des Enzyms an die Zellulose sowie deren Bewegung und verringert dadurch die Geschwindigkeit und den Abstand zum Enzym.“

Obwohl es Strategien gibt, Komponenten wie Xylan und Lignin aus Zellulose zu entfernen, sagen Forscher, dass die Entfernung von Zellobiose schwieriger sei. Eine Methode verwendet ein zweites Enzym zur Spaltung von Cellobiose, verursacht jedoch zusätzliche Kosten und erhöht die Komplexität des Systems.

„Etwa 50 Cent pro Gallone der Bioethanol-Produktionskosten werden allein für Enzyme ausgegeben, daher würde die Minimierung dieser Kosten einen großen Beitrag dazu leisten, Bioethanol aus Pflanzenabfällen konkurrenzfähiger gegenüber fossilen Brennstoffen oder Ethanol auf Maisbasis zu machen“, sagte Anderson. „Wir werden weiterhin untersuchen, wie man Enzyme entwirft und erforschen, wie Enzyme zusammenarbeiten könnten, mit dem Ziel, diesen Prozess so kostengünstig und effizient wie möglich zu gestalten.“

Zum Forschungsteam von Penn State gehört auch Zachary Haviland, ein Student mit Schwerpunkt Biomedizintechnik zum Zeitpunkt der Forschung; Sarah Pfaff, eine Doktorandin der Biologie zum Zeitpunkt der Forschung; Daniel Cosgrove, Inhaber des Eberly Family Chair für Biologie; Ming Tien, emeritierter Professor für Biochemie und Molekularbiologie; und Alec Paradiso, ein Student mit Schwerpunkt Biotechnologie.