Фермент жучка-древоточца - новый чудо-элемент для производства биотоплива. Химия.

Ученые открыли новый фермент, который может радикально улучшить технологию переработки целлюлозных отходов (бумаги, стружек, опилок) в биотопливо. Они воспользовались разрушительной силой крошеных морских древоточцев-сверлянок – грозы деревянных причалов, сообщает Daily Fusion. 

Обратившись к сложному биохимическому анализу и рентгенографии, исследователи из Йоркского и Портсмутского университетов (Великобритания), а также Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (США) определили структуру и функцию главного фермента, с помощью которого сверлянки уничтожают дерево.

Чтобы получить жидкое топливо из деревянной биомассы, полисахариды (полимеры сахаров) – основной химический компонент опилок, стружек и т.д. – должны быть разложены на моносахариды (простые сахара). Потом они подвергаются ферментации, в результате которой получается жидкое биотопливо. Это трудоёмкий и дорогостоящий технологический процесс. И поэтому ученые ищут в природе такие организмы, которые сами делают аналогичную «работу» - чтобы на основе их «природных технологий» разработать промышленный способ производства.

Сверлянки очень жадны до дерева и обладают всеми ферментами для его переваривания. Их ферменты прикрепляются к длинной цепи полисахаридов и «отщипывают» небольшие молекулы, которые легко можно переварить. Ученые нашли у сверлянок целлюлазу (фермент, который превращает целлюлозу в глюкозу), обладающую необычными свойствами, и обратились к последним технологиям построения изображений, чтобы разобраться в механизмах ее работы.

«Ферменты (энзимы) – это белки, выступающие в роли катализаторов, в данном случае – катализаторов разложения целлюлозы. Их функция определяется их трехмерной структурой, но даже в мощный микроскоп ее не разглядишь. Поэтому мы делаем из этих белков кристаллы – с миллионами копий белка идентичной структуры», - рассказывает Саймон МакКвин-Мэйсон (Simon McQueen-Mason), профессор Центра инновационных сельскохозяйственных продуктов Йоркского университета, глава исследовательской группы.

«Когда мы решили эту нелегкую задачу – изготовление кристаллов фермента – мы отвезли их на синхротрон Diamond (национальный синхротрон Великобритании). Мы не стали смотреть на фермент в микроскоп, а направили на кристаллы интенсивный пучок рентгеновских лучей, чтобы получить серию изображений, которые потом можно будет собрать в трехмерную модель. Синхротрон Diamond выдает такие хорошие данные, что мы смогли визуально определить местоположение каждого атома в ферменте. Потом наши американские коллеги использовали мощные суперкомпьютеры Kraken и Red Mesa и создали модель фермента в действии. Объединив эти результаты, мы поняли, как целлюлозные цепочки перерабатываются в глюкозу», - рассказывает доктор Джон МакГихэн (John McGeehan), специалист по структурной биологии из Портсмутского университета.

Эта информация поможет ученым спроектировать более мощные ферменты для промышленного производства. Хотя похожие целлюлазы были найдены у разрушающих дерево грибов, целлюлаза сверлянки имеет ряд существенных различий. В частности, она очень хорошо выдерживает агрессивную химическую среду и работает даже в условиях солености, в семь раз превышающей морскую. Это означает, что фермент будет хорошо переносит «условия труда» в промышленности.

«Это первый фермент животных данного типа, которому мы дали функциональное описание, и поняли, как он работает. Хотя на первый взгляд он похож на аналогичные ферменты грибов, подробный анализ указывает на его особые свойства. Например, у него чрезвычайно кислотная поверхность – видимо, именно она придает ему прочность», - объясняет профессор МакКвин-Мэйсон.

Конечная цель ученых – воспроизвести эффект этого фермента в промышленных масштабах. Они хотят не брать целлюлазу у сверлянок, а перенести кодирующие этот фермент гены промышленным микробам, которые будут производить его в больших количествах (так вырабатываются ферменты для биологических моющих средств).

«Прочность ферментов делает возможным их использование в морской воде, что снизит затраты на обработку материала. Снижение затрат на ферменты принципиально важно для повышения рентабельности процесса получения биотоплива из древесных материалов. Прочность также увеличит срок эксплуатации фермента и позволит использовать его повторно», - добавил профессор МакКвин-Мэйсон.