Что такое (TrCel7A)?
Целлобиогидролаза I (TrCel7A) – специальный фермент, расщепляющий целлюлозу, самый богатый природный полимер на планете. Фермент работает как микроскопическая древесная дробилка.
Он проглатывает нити тесно связанной целлюлозы и разлагает их на простые сахара. Он работает очень медленно, но, как и грузовик, работающий на очень низкой передаче, его очень трудно остановить, как только он начинает движение. Он также является автономным, питаясь в значительной степени от энергии разрушаемых целлюлозных связей.
Поиск путей ускорения и повышения эффективности работы ферментов, таких как TrCel7a, может стать ключом к превращению этанола из целлюлозы в крупный новый возобновляемый источник топлива.
Ежегодно в США выбрасывается около 323 миллионов тонн целлюлозных отходов, которых хватило бы для обеспечения 30 процентов текущего потребления топлива.
"До сих пор эта система была чем-то вроде черного ящика на молекулярном уровне. Мы знали, что делают эти ферменты, но не знали, как они работают", - сказал Мэтью Ланг, профессор химической и биомолекулярной инженерии университета Вандербильта.
Работая в лаборатории Lang Lab, аспирант Соня Брэди вскрыла этот черный ящик в случае с TrCel7A и заглянула внутрь. Одолжив методику биофизиков для изучения других молекулярных двигателей, она изучила поведение фермента и его составных частей с беспрецедентной тщательностью.
"Измерение поведения отдельного фермента и его компонентов является новой стратегией в исследовании разложения целлюлозы", - сказал Брейди. "Мы надеемся, что это даст знания, которые другие смогут использовать для интеграции биологических стратегий с промышленными процессами новыми и захватывающими способами".
Правительство заинтересовано в новых видах биотоплива
В течение последних восьми лет правительство США поддерживает крупную программу по разработке современного биотоплива. Одним из основных направлений исследований в области целлюлозного этанола является поиск наиболее эффективных и недорогих микроорганизмов и ферментов для использования в этом процессе.
Большая часть этих усилий была сосредоточена на поиске путей получения микроорганизмов, вырабатывающих целлюлозу, для производства большего количества этих ферментов.
Брэди и Лэнг, напротив, решили изучить, как работают отдельные ферменты целлюлозы. Для этого они выбрали целлюлозу, вырабатываемую нитевидным грибком Trichoderma reesei, одним из микроорганизмов, используемых для разложения целлюлозы в коммерческих целях. T. reesei производит коктейль из трех различных ферментов, 60 процентов из которых (по массе) - Целлобиогидролаза I (TrCel7A).
Для получения первых прямых измерений механических свойств отдельных молекул TrCel7A исследователи использовали оптический пинцет, который захватывает и манипулирует очень маленькими объектами с помощью лазерного луча.
Однако, они не работают ни на чем таком маленьком, как фермент. Поэтому исследователям приходилось прикреплять крошечные сферы полистирола к отдельным молекулам. Как только такая сфера присоединяется и фермент помещается на целлюлозное волокно, он вытягивает сферу за собой по мере того, как она работает.
Это позволило исследователям отследить его движения, которые в остальном остались невидимыми. Не менее важно, что исследователи могли захватить сферу с помощью оптического пинцета и приложить к ней силу, которая передается ферменту.
Оказывая помощь и сопротивление движению фермента, исследователи определили, сколько усилий требуется для замедления работы TrCel7A и как сильно он ускоряется при вытягивании фермента.
Исследователи обнаружили, что фермент очень медленный. Он ползает по целлюлозной цепочке со средней скоростью всего 0,25 нанометра в секунду. Это примерно 10 атомов водорода в секунду. И выяснилось, что его движение состояло из чередования шагов в один нанометр и времени пребывания различной длины.
"Не похоже, что очень легко увеличить длину шага, потому что это напрямую связано с длиной блоков глюкозы в целлюлозе, которую она разрушает", - сказал Ланг. "Однако, когда мы применили вспомогательную силу, нам удалось удвоить скорость фермента, сократив время пребывания."
С чем еще предстоит справиться
Одно из ограничений TrCel7A заключается в том, что для начала работы необходимо найти сломанный конец целлюлозной нити. По этой причине T. reesei производит другой тип фермента, называемый эндоцеллюлазой.
Для этого требуются короткие куски целлюлозного волокна, создающие, по сути, свободные концы, которые TrCel7A может начать переваривать. В результате скорость разложения двух ферментов, работающих вместе, значительно выше, чем скорость разложения, которую они могут достичь, работая по отдельности.
По словам Ланга, следующим шагом в их исследовании является изучение того, как сочетания этих ферментов работают вместе на молекулярном уровне.