Новый подход к производству биоэнергии

Исследователи из ЕС разработали и протестировали клеточные структуры — целлюлосомы, которые помогают расщеплять обильные отходы биомассы для производства ценных химических веществ, таких как биотопливо нового поколения.

Ключом к производству такого биотоплива из лигноцеллюлозной биомассы является эффективное превращение содержащейся в клеточных стенках целлюлозы в ферментируемые сахара — основное узкое место для крупномасштабного производства. Эффективное расщепление биомассы на сахара (сахарификация) может снизить стоимость процесса и уменьшить количество сырья, необходимого для производства биотоплива, с более мягкой или короткой предварительной обработкой.

Некоторые микробы имеют природные структуры, называемые целлюлосомами, которые содержат целлюлазы — ферменты, эффективно расщепляющие целлюлозу на сахара. Проект CELLULOSOMEPLUS, финансируемый ЕС, разработал искусственные целлюлосомы для получения высоких выходов ферментируемых сахаров из органической фракции твердых бытовых отходов с целью создания биотоплива нового поколения при низкой стоимости процесса.

Консорциум произвел основные компоненты природных целлюлосом, а также другие лигноцеллюлозные ферменты и после их сборки в искусственные целлюлосомы охарактеризовал гидролиз субстрата из отходов. Они также изучили физико-химическую, атомную и супрамолекулярную структуру целлюлосомы и взаимодействия ее различных компонентов. «Архитектура целлюлосомы состоит из некталитической субъединицы «скаффолдин», которая несет «когезины» — комплементарные распознающие модули другого типа доменов, называемых «докеринами». Докерины находятся на ферментах и позволяют интегрировать их в комплекс», — объясняет координатор проекта доктор Мариано Каррион-Васкес.

Разработаны новые анализы и модели

Для характеристики целлюлосомных и нецеллюлосомных компонентов, используемых в искусственных целлюлосомах, команда разработала стандартизированный ферментативный анализ. Другой анализ для определения ферментативной активности в промышленном субстрате показал, что целлюлосомы гидролизуют лигноцеллюлозную биомассу более эффективно, чем один очищенный фермент или смесь ферментов. «Эти исследования позволили глубже понять архитектуру, наномеханику и каталитические свойства целлюлосом, а также логику их построения», — говорит доктор Каррион-Васкес.

Многоуровневое моделирование от атомного до супрамолекулярного уровня использовалось для исследования структуры и самосборки целлюлосомы. По словам доктора Карриона-Васкеса: «Модели предоставили новую информацию о динамических свойствах катализаторов вместе с механической стабильностью, что привело к новым идеям для экспериментов и создало синергетическую обратную связь для производства оптимизированных искусственных целлюлосом».

Знания о природных целлюлосомах и последующий скрининг их компонентов предоставили исследователям платформу для тестирования сборки конечных искусственных целлюлосом. Они несли как целлюлосомные, так и нецеллюлосомные компоненты и были валидированы в лабораторном и полупромышленном масштабе для обеспечения оптимального расщепления промышленного субстрата из отходов.

Преимущества для европейской биотехнологии

Партнеры проекта проанализировали целлюлосомы девяти видов бактерий и создали базу данных целлюлосомных компонентов. Термическая стабильность ключевых целлюлосомных ферментов была повышена с помощью случайного и полурационального мутагенеза, что позволило добиться лучших выходов гидролиза. Ученые также определили 3D-структуры трех гликозидгидролаз и использовали данные для разработки вычислительных моделей. Были также разработаны различные подходы для характеристики взаимодействий между целлюлосомными компонентами с помощью силовой спектроскопии одиночных молекул на основе методов атомно-силовой микроскопии, что сократило время подготовки образцов и повысило качество и сопоставимость данных. Кроме того, механическая стабильность когезиновых модулей скаффолдина оказалась новым важным промышленным параметром для ферментативной активности целлюлосомы.

Консорциум построил несколько моделей мультидоменных ферментов и искусственных целлюлосом, представив детальную картину целлюлосомных сборок. Это включало соответствующие данные, касающиеся термостабильности и субстратной специфичности ключевых целлюлосомных элементов.

Команда разработала искусственную целлюлосому, состоящую из десяти компонентов, сочетающую активности целлюлазы/ксиланазы с тремя вспомогательными ферментами. Более того, комплексирование ферментов в оптимизированные искусственные целлюлосомы увеличило гидролиз на модельных субстратах и предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассе. «Использование самособирающихся искусственных целлюлосом в качестве нанокатализаторов принесет пользу европейским биотехнологическим отраслям, работающим в транспортном секторе, а также химической промышленности, занимающейся переработкой городских отходов и остатков агропищевого, бумажного и лесного секторов», — отмечает доктор Каррион-Васкес.

Адаптация искусственных целлюлосом под различные лигноцеллюлозные остатки биомассы должна помочь повысить эффективность процесса, снизив производственные затраты. «Эта новая технология также поможет снизить зависимость Европы от нефти, укрепить малые и средние предприятия в ЕС, стимулировать создание рабочих мест и уменьшить воздействие на окружающую среду сектора биотоплива нового поколения».