Usando cristalografia de nêutrons, uma equipe de pesquisa de Los Alamos mapeou a estrutura tridimensional de uma proteína que decompõe polissacarídeos, como a celulose fibrosa de gramíneas e plantas lenhosas, uma descoberta que pode ajudar a reduzir o custo de criação de biocombustíveis. A pesquisa se concentrou em uma classe de enzimas dependentes de cobre chamadas monooxigenases de polissacarídeo lítico (LPMOs), que bactérias e fungos usam para quebrar naturalmente a celulose e biopolímeros de quitina intimamente relacionados.

"A longo prazo, compreender o mecanismo dessa classe de proteínas pode levar a enzimas com características aprimoradas que tornam a produção de etanol cada vez mais viável economicamente, "disse Julian Chen, um cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos que participou da pesquisa.

Uma equipe de várias instituições usou a instalação de espalhamento de nêutrons na Spallation Neutron Source (SNS) no Oak Ridge National Laboratory e a fonte de luz avançada (ALS) síncrotron da fonte de raios-X no Lawrence Berkeley National Laboratory para estudar o LPMO. Tanto o SNS quanto o ALS são instalações do usuário do DOE Office of Science.

Chen, cientistas da Divisão de Biociências de Los Alamos, Clifford Unkefer, e o ex-colega de pós-doutorado John Bacik, trabalhando com colaboradores no Oak Ridge National Laboratory, Laboratório Lawrence Berkeley, e a Universidade Norueguesa de Ciências da Vida, resolveu a estrutura de um LPMO de degradação de quitina da bactéria Jonesia denitrificans (JdLPMO10A). Os resultados da equipe são publicados no jornal Bioquímica .

Um dos maiores desafios que os cientistas de biocombustíveis enfrentam é encontrar maneiras econômicas de quebrar polissacarídeos como amidos e celulose, que são amplamente distribuídos nas fábricas, em seus açúcares subcomponentes para a produção de biocombustíveis. Enzimas LPMO, que são vistos como a chave para este processo, use um único íon de cobre para ativar o oxigênio, uma etapa crítica para a ação de degradação catalítica da enzima.

Embora o mecanismo específico de ação do LPMO permaneça incerto, pensa-se que a catálise envolve a formação inicial de um superóxido por transferência de elétrons do íon de cobre reduzido. Ao compreender a localização do íon cobre e a constelação de átomos perto dele, os pesquisadores esperam elucidar mais sobre a função da enzima. Para fazer isso, eles dependem primeiro da determinação da estrutura da enzima.

Embora uma série de estruturas cristalográficas de raios-X estejam atualmente disponíveis para LPMOs de espécies fúngicas e bacterianas, esta nova estrutura é mais completa. Os investigadores usaram cristalografia de raios-X para resolver a estrutura tridimensional em detalhes claros de todos os átomos, exceto para os hidrogênios, os menores e mais abundantes átomos nas proteínas. As posições dos átomos de hidrogênio são importantes para elucidar as características funcionais da proteína alvo e podem ser melhor visualizadas usando uma cristalografia de nêutrons. Os investigadores usaram esta técnica complementar, para determinar a estrutura tridimensional do LPMO, mas destacando os átomos de hidrogênio.

Notavelmente, neste estudo, a enzima LPMO cristalizada foi capturada no ato de se ligar ao oxigênio. Juntamente com as estruturas recentes de LPMOs de uma ampla variedade de espécies de fungos e bactérias, os resultados deste estudo indicam um mecanismo comum de degradação da biomassa celulósica, apesar das grandes diferenças em suas sequências de proteínas. Este estudo aprofundou o conhecimento sobre o mecanismo de ação dos LPMOs, particularmente o papel do íon cobre e a natureza do envolvimento do oxigênio.

A pesquisa em biocombustíveis faz parte do foco da missão do Laboratório Nacional de Los Alamos na integração de soluções de pesquisa e desenvolvimento para atingir o máximo impacto nas prioridades estratégicas de segurança nacional, como novas fontes de energia.