Исследователи впервые наблюдали, как ферменты расщепляют целлюлозу для производства биотоплива

Биотопливо из биомассы становится всё важнее, но его производство часто неэффективно и дорого. Одна из причин — сложность переработки целлюлозы, нерастворимого в воде полисахарида растений.

Обычно в биорефайнериях используют смесь гидролитических ферментов, которые, как и в природе, расщепляют растительный материал с помощью молекул воды. Недавно были открыты окислительные ферменты LPMO (литические полисахаридмонооксигеназы), которые используют кислород и работают совместно с гидролитическими, повышая эффективность расщепления. Однако механизм их работы оставался неясным.

Учёные из Граца впервые с помощью атомно-силовой микроскопии наблюдали ферменты в действии на поверхности частиц целлюлозы. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, они сначала изучили давно известный гидролитический фермент Trichoderma reesei CBH I. Этот фермент адсорбируется на поверхности частицы, движется вдоль полисахаридной цепи и постепенно отщепляет небольшие фрагменты.

Затем учёные добавили в смесь LPMO и обнаружили два ключевых эффекта:

• LPMO создают на поверхности целлюлозы больше сайтов связывания для гидролитических ферментов.
• Динамика ферментов на поверхности значительно возрастает.

«Обычно в химии мы фокусируемся на растворимых продуктах, чтобы понять реакцию. Но для процесса, идущего на твёрдой поверхности, такой подход не работает. Мы хотели наблюдать и зафиксировать именно этот этап — процесс разрушения целлюлозы», — пояснил ведущий автор работы Мануэль Эйбингер.

Руководитель института Бернд Нидецки добавил: «В этом исследовании мы хотели запечатлеть процессы в их временном развитии. И нам это удалось». Работа углубляет фундаментальное понимание этих процессов и в перспективе может упростить производство биотоплива.