Pesquisadores revelam como bloqueios moleculares retardam a decomposição da celulose para biocombustíveis
Uma nova pesquisa realizada por pesquisadores da Penn State revela como vários obstáculos moleculares retardam a decomposição da celulose para biocombustíveis. Aqui, Daguan Nong, professor assistente de pesquisa em engenharia biomédica, ajusta o microscópio SCATTIRSTORM, que permite aos pesquisadores rastrear enzimas individuais durante o processo de decomposição. Crédito:Michelle Bixby / Penn State A celulose, que ajuda a dar às paredes celulares das plantas a sua estrutura rígida, é promissora como matéria-prima renovável para biocombustíveis – se os investigadores conseguirem acelerar o processo de produção. Em comparação com a decomposição de outros materiais de biocombustíveis, como o milho, a decomposição da celulose é lenta e ineficiente, mas poderia evitar preocupações quanto ao uso de uma fonte de alimento e, ao mesmo tempo, aproveitar os abundantes materiais vegetais que, de outra forma, poderiam ser desperdiçados. Uma nova pesquisa liderada por investigadores da Penn State revelou como vários obstáculos moleculares retardam esse processo.
O estudo mais recente da equipe, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , descreve o processo molecular pelo qual a celobiose – um fragmento de celulose com dois açúcares produzido durante a desconstrução da celulose – pode obstruir o oleoduto e interferir na subsequente quebra da celulose.
A produção de biocombustíveis depende da decomposição de compostos como amido ou celulose em glicose, que pode então ser fermentada eficientemente em etanol para uso como combustível ou convertida em outros materiais úteis. A opção de biocombustível predominante no mercado hoje é gerada a partir do milho, em parte porque, segundo os pesquisadores, seus amidos se decompõem facilmente.
"Há várias preocupações sobre o uso do milho como fonte de biocombustível, incluindo a competição com o abastecimento global de alimentos e a grande quantidade de gases de efeito estufa produzidos ao gerar etanol à base de milho", disse Charles Anderson, professor de biologia na Penn State Eberly College of Science e autor do artigo.
“Uma alternativa promissora é decompor a celulose das partes não comestíveis das plantas, como talos de milho, outros resíduos vegetais, como resíduos florestais, e culturas potencialmente dedicadas que poderiam ser cultivadas em terras marginais. impedem os biocombustíveis de segunda geração de serem economicamente competitivos é que o atual processo de decomposição da celulose é lento e ineficiente."
“Temos usado uma técnica de imagem relativamente nova para explorar os mecanismos moleculares que retardam esse processo”.
A celulose é composta de cadeias de glicose, unidas por ligações de hidrogênio em estruturas cristalinas. Os cientistas usam enzimas chamadas celulases, derivadas de fungos ou bactérias, para decompor o material vegetal e extrair a glicose da celulose. Mas, disseram os investigadores, a estrutura cristalina da celulose combinada com outros compostos chamados xilana e lignina – também presentes nas paredes celulares – proporcionam desafios adicionais à degradação da celulose. As técnicas tradicionais, no entanto, não foram capazes de revelar os mecanismos moleculares específicos destas desacelerações.
Para explorar esses mecanismos pouco claros, os pesquisadores marcaram quimicamente celulases individuais com marcadores fluorescentes. Eles então usaram o microscópio SCATTIRSTORM da Penn State, que a equipe projetou e construiu para esse propósito, para rastrear as moléculas em cada etapa do processo de decomposição e interpretaram os vídeos resultantes usando processamento computacional e modelagem bioquímica.
“Os métodos tradicionais observam o processo de decomposição em maior escala, manipulam artificialmente a posição da enzima ou apenas capturam moléculas em movimento, o que significa que você pode perder parte do processo que ocorre naturalmente”, disse Will Hancock, professor de engenharia biomédica na Universidade da Pensilvânia. State College of Engineering e autor do artigo. "Usando o microscópio SCATTIRSTORM, fomos capazes de observar enzimas celulase individuais em ação para realmente entender o que está retardando esse processo e gerar novas ideias sobre como torná-lo mais eficiente."
A equipe de pesquisa identificou novos detalhes sobre como as enzimas celulase Cel7A (ouro) são inibidas ao quebrar a celulose (verde) pelo produto da degradação da celulose, a celobiose, na "porta da frente" (1) e na "porta dos fundos" (2) do túnel catalítico Cel7A, e por dois outros componentes das paredes celulares vegetais, lignina (marrom) e xilana (laranja), que interagem com a celulose. Esta pesquisa promete revelar novas estratégias para desconstruir eficientemente a celulose para produzir bioenergia e biomateriais sustentáveis. Crédito:Nerya Zexer / Penn State
Os pesquisadores estudaram especificamente o efeito de uma enzima celulase fúngica chamada Cel7A. Como parte do processo de decomposição, Cel7A alimenta a celulose numa espécie de túnel molecular, onde é cortada.
"Cel7A move a cadeia de glicose para a 'porta da frente' do túnel, a cadeia é clivada e os produtos saem pela 'porta dos fundos' em uma espécie de pipeline", disse Daguan Nong, professor assistente de pesquisa de engenharia biomédica no Penn State College of Engineering e primeiro autor do artigo.
“Não temos certeza de como a enzima encadeia a cadeia de glicose até o túnel ou o que exatamente acontece lá dentro, mas sabíamos de estudos anteriores que o produto que sai pela porta dos fundos, a celobiose, pode interferir no processamento da celulose subsequente. moléculas. Agora, sabemos mais sobre como isso está interferindo."
Dentro do túnel, Cel7A corta a celulose – que contém unidades repetidas de glicose – em fragmentos de celobiose com dois açúcares. Os pesquisadores descobriram que a celobiose em solução pode se ligar à “porta dos fundos” do túnel, o que pode retardar a saída das moléculas de celobiose subsequentes, pois essencialmente bloqueia o caminho. Além disso, eles descobriram que ela pode se ligar ao Cel7A próximo à porta da frente, evitando que a enzima se ligue a celulose adicional.
“Como a celobiose é tão semelhante à celulose, talvez não seja surpreendente que os pequenos pedaços possam entrar no túnel”, disse Hancock. "Agora que temos uma melhor compreensão de como exatamente a celobiose está atrapalhando as coisas, podemos explorar novas maneiras de ajustar esse processo. Por exemplo, poderíamos alterar a porta frontal ou traseira do túnel ou alterar aspectos da enzima Cel7A para ser mais eficiente na prevenção desta inibição Tem havido muito trabalho para desenvolver enzimas celulase mais eficientes nas últimas duas décadas, e é uma abordagem incrivelmente poderosa. Ter uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares que limitam a degradação da celulose nos ajudará. direcionar esse esforço."
Esta pesquisa baseia-se no trabalho recente da equipe de pesquisa para compreender outros obstáculos ao processo de degradação – xilana e lignina – que eles publicaram recentemente em RSC Sustainability e Biotecnologia para biocombustíveis e bioprodutos .
“Descobrimos que a xilana e a lignina operam de maneiras diferentes para interferir na degradação da celulose”, disse Nerya Zexer, pesquisadora de pós-doutorado em biologia na Penn State Eberly College of Science e autora principal do artigo RSC Sustainability. “Xylan reveste a celulose, reduzindo a proporção de enzimas que podem se ligar e mover a celulose. A lignina inibe a capacidade da enzima de se ligar à celulose, bem como seu movimento, reduzindo a velocidade e a distância da enzima.”
Embora existam estratégias para remover componentes como xilana e lignina da celulose, os pesquisadores disseram que a remoção da celobiose é mais difícil. Um método utiliza uma segunda enzima para clivar a celobiose, mas acrescenta custo e complexidade adicionais ao sistema.
“Cerca de 50 centavos por galão de custos de produção de bioetanol são dedicados apenas a enzimas, portanto, minimizar esse custo ajudaria muito em termos de tornar o bioetanol a partir de resíduos vegetais mais competitivo com os combustíveis fósseis ou o etanol à base de milho”, disse Anderson. "Continuaremos investigando como projetar enzimas e explorando como as enzimas podem trabalhar juntas com o objetivo de tornar esse processo o mais barato e eficiente possível."
A equipe de pesquisa da Penn State também inclui Zachary Haviland, estudante de graduação com especialização em engenharia biomédica na época da pesquisa; Sarah Pfaff, estudante de pós-graduação em biologia na época da pesquisa; Daniel Cosgrove, titular da Cátedra Eberly Family em Biologia; Ming Tien, professor emérito de bioquímica e biologia molecular; e Alec Paradiso, estudante de graduação com especialização em biotecnologia.
