Фермент CelOCE открывает новую эру в переработке целлюлозы для биотоплива
Расщепление целлюлозы — ключевой этап превращения биомассы в топливо и химикаты. Однако целлюлоза, самый распространенный возобновляемый полимер на планете, крайне устойчива к биологическому разложению из-за своей кристаллической структуры и связи с лигнином и гемицеллюлозами в клеточных стенках растений.
Исследователи из Бразильского центра исследований в области энергетики и материалов (CNPEM) с коллегами из Бразилии и других стран открыли фермент, способный революционизировать этот процесс. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Новый фермент и его механизм
Новый фермент назван CelOCE (cellulose oxidative cleaving enzyme). Он расщепляет целлюлозу с помощью ранее неизвестного окислительного механизма, делая её более доступной для действия классических ферментов — гликозидгидролаз.
«CelOCE открывает "замки" кристаллической структуры целлюлозы, позволяя другим ферментам выполнять конверсию. Его роль — не в производстве конечного продукта, а в обеспечении доступа к целлюлозе», — пояснил Марио Мураками, руководитель исследования.
Смена парадигмы
Два десятилетия назад первой революцией стало добавление в ферментный коктейль монооксигеназ, которые окисляют гликозидные связи. Теперь этот парадигма сменяется с открытием CelOCE, который не является монооксигеназой и даёт вдвое больший эффект.
Ключевые преимущества CelOCE:
- Самодостаточность: Это металлофермент, содержащий медь. В отличие от монооксигеназ, которым нужен внешний источник пероксида, CelOCE производит собственный пероксид in situ.
- Структура: CelOCE — димер. Пока одна субъединица связывается с целлюлозой, другая действует как оксидаза, генерируя необходимый ко-субстрат (пероксид) для реакции.
От открытия до применения
Фермент был обнаружен в природе, в микробном сообществе из образцов почвы, покрытой жомом сахарного тростника. Для его изучения использовали междисциплинарный подход:
Метагеномика и протеомика
Ферментология углеводов (хроматография, масс-спектрометрия)
Рентгеновская дифракция 4-го поколения на синхротроне
Направленный мутагенез и генная инженерия грибов с помощью CRISPR/Cas
Эксперименты в пилотных биореакторах на 65 и 300 литров
«Мы прошли путь от изучения биоразнообразия до выяснения механизма и демонстрации на промышленно значимом масштабе», — отметил Мураками.
Значение для промышленности
Доказательство концепции уже получено в пилотных масштабах, что позволяет сразу внедрять фермент в производство. Это особенно важно для Бразилии — крупного производителя биотоплива — и для мира в контексте энергетического перехода.
В Бразилии находятся единственные в мире два коммерческих биоперерабатывающих завода, производящих биотопливо из целлюлозы. CelOCE может значительно повысить эффективность процесса деполимеризации целлюлозы, которая сейчас составляет 60–80%.
«Любое увеличение выхода означает многое, поскольку речь идёт о конверсии сотен миллионов тонн отходов», — подчеркнул Мураками.
Повышение эффективности касается не только производства этанола для транспорта, но и создания других продуктов, например, авиационного биотоплива.
