A produção de biocombustíveis como o etanol a partir de materiais vegetais requer várias enzimas para quebrar as fibras celulósicas. Os cientistas que usam espalhamento de nêutrons identificaram as especificidades de uma reação catalisada por enzima que pode reduzir significativamente a quantidade total de enzimas usadas, melhorando os processos de produção e reduzindo custos.

Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia e da North Carolina State University usaram uma combinação de raios-X e cristalografia de nêutrons para determinar a estrutura atômica detalhada de uma enzima fúngica especializada. Uma compreensão mais profunda da reatividade da enzima também pode levar a melhores modelos computacionais que irão guiar ainda mais as aplicações industriais para formas mais limpas de energia. Seus resultados são publicados na revista Angewandte ChemieInternational Edition.

Parte de uma família maior conhecida como monooxigenases de polissacarídeo lítico, ou LPMOs, essas enzimas dependentes de oxigênio agem em conjunto com as enzimas hidrolíticas - que quebram quimicamente grandes moléculas complexas com água - oxidando e quebrando as ligações que mantêm as cadeias de celulose unidas. As enzimas combinadas podem digerir biomassa mais rapidamente do que as enzimas usadas atualmente e acelerar o processo de produção de biocombustível.

“Essas enzimas já são utilizadas em aplicações industriais, mas eles não são bem compreendidos, "disse o autor principal Brad O'Dell, um estudante de graduação da NC State trabalhando na Divisão de Biologia e Matéria Mole do Diretório de Ciências de Neutrons do ORNL. "Compreender cada etapa do mecanismo de ação do LPMO ajudará a indústria a usar essas enzimas em todo o seu potencial e, como resultado, tornar os produtos finais mais baratos. "

Em uma enzima LPMO, o oxigênio e a celulose se organizam por meio de uma sequência de etapas antes que ocorra a reação de desconstrução da biomassa. Mais ou menos como "na sua marca, prepare-se, ir, "diz O'Dell.

Para entender melhor o mecanismo de reação da enzima, O'Dell e co-autora Flora Meilleur, Cientista de instrumentos ORNL e professor associado da NC State, usou o difratômetro de espalhamento de nêutrons IMAGINE no High Flux Isotope Reactor do ORNL para ver como a enzima e as moléculas de oxigênio estavam se comportando nas etapas que levaram à reação - do "estado de repouso" ao "estado ativo".

O estado de repouso, O'Dell diz, é onde todos os componentes críticos da enzima se reúnem para ligar o oxigênio e o carboidrato. Quando os elétrons são entregues à enzima, o sistema se move do estado de repouso para o estado ativo - ou seja, de "na sua marca" para "preparar-se".

No estado ativo, o oxigênio se liga a um íon de cobre que inicia a reação. Auxiliado por difração de raios-X e nêutrons, O'Dell e Meilleur identificaram uma molécula de oxigênio nunca vista sendo estabilizada por um aminoácido, histidina 157.

O hidrogênio é um elemento-chave de aminoácidos como a histidina 157. Como os nêutrons são particularmente sensíveis aos átomos de hidrogênio, a equipe foi capaz de determinar que a histidina 157 desempenha um papel significativo no transporte de moléculas de oxigênio para o íon cobre no sítio ativo, revelando um detalhe vital sobre a primeira etapa da reação catalítica LPMO.

"Como os nêutrons nos permitem ver os átomos de hidrogênio dentro da enzima, ganhamos informações essenciais para decifrar a química das proteínas. Sem esses dados, o papel da histidina 157 teria permanecido obscuro, "Meilleur disse." Os nêutrons foram fundamentais para determinar como a histidina 157 estabiliza o oxigênio para iniciar a primeira etapa do mecanismo de reação do LPMO. "

Seus resultados foram subsequentemente confirmados por cálculos de química quântica realizados pelo co-autor Pratul Agarwal da Diretoria de Ciências da Computação e Computação do ORNL.

A preparação do material de pesquisa foi apoiada pelo ORNL Center for Structural Molecular Biology. Os dados de raios-X foram coletados na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne por meio de acesso fornecido pela Equipe de Acesso Colaborativo Regional do Sudeste.

O'Dell diz que seus resultados refinam a compreensão atual dos LPMOs para pesquisadores da ciência e da indústria.

"Este é um grande passo para desvendar como os LPMO iniciam a decomposição dos carboidratos, "Disse O'Dell." Agora precisamos caracterizar o estado ativado da enzima quando a proteína também está ligada a um carboidrato que imita a celulose. Então teremos a chance de ver quais mudanças estruturais acontecem quando a pistola de partida é disparada e a reação dispara. "