Nowe, zindywidualizowane podejście do biopaliw
Kluczem do produkcji zaawansowanych biopaliw z biomasy lignocelulozowej jest efektywna konwersja celulozy zawartej w ściankach komórek na cukry fermentujące – jest to etap stanowiący główne wąskie gardło utrudniające wielkoskalową produkcję. Skuteczny rozkład biomasy na cukry, zwany sacharyfikacją, może obniżyć koszt procesu oraz ilość surowca potrzebnego do produkcji biopaliw, przy krótszym czasie obróbki wstępnej. Niektóre drobnoustroje mają naturalne struktury zwane celulozomami, które zawierają celulazy, enzymy skutecznie rozkładające celulozę na cukry. W ramach finansowanego ze środków UE projektu CELLULOSOMEPLUS opracowano celulozomy (DC) pozwalające na uzyskanie wysokiej wydajności produkcji cukrów fermentujących z organicznej frakcji stałych odpadów komunalnych (OFMSW), aby stworzyć zaawansowane biopaliwa przy niskich kosztach przetwarzania. Konsorcjum produkowało podstawowe składniki naturalnych celulozomów oraz innych enzymów lignocelulozowych, a po ich połączeniu w DC scharakteryzowało hydrolizę substratu OFMSW. Badano również strukturę fizykochemiczną, atomową i supramolekularną celulozomu oraz interakcje różnych jego składników. „Architektura celulozomów składa się z niekatalitycznej podjednostki »rusztowań«, w której znajdują się »kohezyny«, będące uzupełniającymi modułami rozpoznawania innego rodzaju domeny, zwanych »dokerynami«, które są przenoszone przez enzymy i umożliwiają ich integrację z kompleksem”, wyjaśnia koordynator projektu dr Mariano Carrión-Vázquez. Opracowanie nowych testów i modeli W celu scharakteryzowania składników celulozomalnych i niecelulozomalnych, które mają być stosowane w DC, zespół opracował ustandaryzowany test enzymatyczny. Inny test do oznaczania aktywności enzymatycznej w substratach przemysłowych wykazał, że celulozomy hydrolizują biomasę lignocelulozową w sposób bardziej efektywny niż pojedynczy oczyszczony enzym lub mieszanina enzymów. „Badania te pozwoliły na dokładniejsze poznanie architektury, nanomechaniki i właściwości katalitycznych celulozomów oraz logiki ich budowy”, mówi dr Carrión-Vázquez. Do badań struktury i samoorganizacji celulozomu wykorzystano wieloskalowe modelowanie, od poziomu atomowego do supramolekularnego. Jak tłumaczy dr Carrión-Vázquez: „Modele dostarczyły nowych informacji na temat właściwości dynamicznych katalizatorów oraz ich stabilności mechanicznej, co zaowocowało nowymi pomysłami na eksperymenty oraz doprowadziło do powstania synergicznej pętli sprzężenia zwrotnego umożliwiającej produkcję zoptymalizowanych DC”. Zdobyta wiedza na temat naturalnych celulozomów, a następnie badanie przesiewowe ich składników, zapewniły badaczom platformę do testowania budowy docelowych DC. Zawierały one zarówno składniki celulozomalne, jak i niecelulozomalne i zostały poddane walidacji w skali laboratoryjnej i przedprzemysłowej w celu zapewnienia optymalnego rozkładu przemysłowego substratu OFMSW. Korzyści dla europejskiej biotechnologii Partnerzy projektu przeanalizowali celulozomy dziewięciu gatunków bakterii i stworzyli bazę danych składników celulozomalnych. Stabilność termiczną kluczowych enzymów celulozomalnych zwiększono poprzez przypadkową i półracjonalną mutagenezę, uzyskując w ten sposób lepszą wydajność hydrolizy. Naukowcy zidentyfikowali również struktury 3D trzech glikozydowych hydrolaz i wykorzystali te dane do opracowania modeli obliczeniowych. Opracowano również różne podejścia do charakteryzowania interakcji między składnikami celulozomalnymi za pomocą spektroskopii siłowej pojedynczych cząsteczek, opartej na metodach mikroskopii sił atomowych, co skraca czas przygotowania próbki oraz poprawia jakość i porównywalność danych. Stwierdzono również, że mechanostabilność modułów kohezyn rusztowaniowych stanowi istotny nowy parametr przemysłowy dotyczący enzymatycznej aktywności celulozomu. Konsorcjum zbudowało kilka modeli wielodomenowych enzymów i DC, tworzących szczegółowy obraz zespołów celulozomalnych. Obejmowały one istotne dane dotyczące termostabilności i swoistości substratu w odniesieniu do kluczowych elementów celulozomalnych. Zespół opracował DC składające się z dziesięciu składników, łączących aktywność celulazy/ksylanazy z trzema enzymami pomocniczymi. Ponadto kompleksowanie enzymów w zoptymalizowane DC zwiększyło hydrolizę na substratach modelowych i na wstępnie przygotowanej biomasie lignocelulozowej. „Wykorzystanie samoorganizujących się DC jako nanokatalizatorów będzie korzystne dla europejskiego przemysłu biotechnologicznego w sektorze transportu, jak również dla przemysłu chemicznego zajmującego się przetwarzaniem odpadów komunalnych oraz pozostałości z sektorów rolno-spożywczego, papierniczego i leśnego”, zauważa dr Carrión-Vázquez. Przystosowanie DC do kilku pozostałości lignocelulozowych z biomasy powinno przyczynić się do poprawy wydajności procesu, a tym samym do obniżenia kosztów produkcji. „Ta nowa technologia przyczyni się również do zmniejszenia uzależnienia Europy od ropy naftowej, wzmocnienia pozycji MŚP w UE, powstania nowych miejsc pracy oraz ograniczenia wpływu sektora zaawansowanych biopaliw na środowisko”.
Słowa kluczowe
CELLULOSOMEPLUS, celulozom, biopaliwo, sacharyfikacja, celuloza
