Бактерии атакуют лигнин с помощью ферментного тандема

Лигнин и целлюлоза, придающие прочность бумаге, бамбуку и деревянным каркасам зданий, десятилетиями сдерживали развитие биотоплива, блокируя более половины сахаров растения, пригодных для получения энергии. В исследовании, которое может указать путь к будущим технологиям производства биотоплива, учёные из Университета Райса, Центра биоэнергетики Великих озёр при Университете Висконсин-Мэдисон и Объединённого института биоэнергетики в Эмеривилле (Калифорния) обнаружили, как два бактериальных фермента работают в команде, чтобы расщепить лигнин.

Проблема лигнина и целлюлозы

• Целлюлоза — основной компонент древесины, стеблей травы и кукурузных стеблей — по сути является сахаром, но плотно упакована в практически неперевариваемое кристаллическое соединение.
• Лигнин, на который приходится до трети углерода в биомассе, усугубляет проблему. Он имеет клейкую консистенцию и покрывает целлюлозу, защищая её.
• Для промышленности расщепление лигнина часто оказывается более сложной задачей, чем целлюлоза, поэтому в целлюлозно-бумажной и биотопливной отраслях его часто рассматривают как отходы.

Командная работа ферментов

Изначальная цель — создать один универсальный фермент для расщепления лигнина — оказалась невыполнимой. Молекулы лигнина нерегулярны и состоят из сотен компонентов, закрученных либо влево, либо вправо, без повторяющегося рисунка. Фермент, настроенный на разрыв левосторонней связи, не расщепит правостороннюю.

Исследователи выяснили, что бактерии Sphingobium используют два фермента, LigE и LigF, которые атакуют лигнин как команда:

• LigE работает с левосторонними связями.
• LigF работает с правосторонними связями.

Это было доказано в экспериментах с очищенными ферментами и синтезированными лево- и правосторонними соединениями. Структурный анализ с помощью рентгеновской кристаллографии показал, как каждый фермент выполняет свою специализированную задачу.

Значение для биотоплива

Открытие предполагает, что для эффективного промышленного расщепления лигнина на ферментируемые компоненты потребуется не один "суперфермент", а коктейль из специализированных ферментов, подобных LigE и LigF. Это может превратить лигнин из нежелательного побочного продукта в ценное сырьё для передового биотоплива и химикатов, кардинально изменив экономику будущих биорефинерных заводов.