La celulosa, que ayuda a dar a las paredes celulares de las plantas su estructura rígida, es prometedora como materia prima renovable para biocombustibles, si los investigadores pueden acelerar el proceso de producción. En comparación con la descomposición de otros materiales biocombustibles como el maíz, la descomposición de la celulosa es lenta e ineficiente, pero podría evitar preocupaciones sobre el uso de una fuente de alimento y al mismo tiempo aprovechar abundantes materiales vegetales que de otro modo podrían desperdiciarse. Una nueva investigación dirigida por investigadores de Penn State ha revelado cómo varios obstáculos moleculares ralentizan este proceso.
El estudio más reciente del equipo, publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences , describe el proceso molecular mediante el cual la celobiosa (un fragmento de celulosa de dos azúcares que se produce durante la deconstrucción de la celulosa) puede obstruir la tubería e interferir con la descomposición posterior de la celulosa.
La producción de biocombustibles se basa en la descomposición de compuestos como el almidón o la celulosa en glucosa, que luego puede fermentarse eficientemente en etanol para usarlo como combustible o convertirse en otros materiales útiles. La opción de biocombustible predominante en el mercado hoy en día se genera a partir del maíz, en parte porque, según dijeron los investigadores, sus almidones se descomponen fácilmente.
"Existen varias preocupaciones sobre el uso del maíz como fuente de biocombustible, incluida la competencia con el suministro mundial de alimentos y la gran cantidad de gases de efecto invernadero producidos al generar etanol a base de maíz", dijo Charles Anderson, profesor de biología en el Penn State Eberly College of Science y autor del artículo.
"Una alternativa prometedora es descomponer la celulosa de las partes no comestibles de las plantas, como los tallos de maíz, otros desechos vegetales como los residuos forestales y cultivos potencialmente dedicados que podrían cultivarse en tierras marginales. Pero una de las principales cosas que frenan este proceso es... Los llamados biocombustibles de segunda generación son económicamente competitivos es que el proceso actual para descomponer la celulosa es lento e ineficiente."
"Hemos estado utilizando una técnica de imagen relativamente nueva para explorar los mecanismos moleculares que ralentizan este proceso".
La celulosa está compuesta de cadenas de glucosa, unidas por enlaces de hidrógeno en estructuras cristalinas. Los científicos utilizan enzimas llamadas celulasas, derivadas de hongos o bacterias, para descomponer el material vegetal y extraer la glucosa de la celulosa. Pero, dijeron los investigadores, la estructura cristalina de la celulosa combinada con otros compuestos llamados xilano y lignina, también presentes en las paredes celulares, suponen desafíos adicionales para la degradación de la celulosa. Sin embargo, las técnicas tradicionales no pudieron revelar los mecanismos moleculares específicos de estas desaceleraciones.
Para explorar estos mecanismos poco claros, los investigadores etiquetaron químicamente celulasas individuales con marcadores fluorescentes. Luego utilizaron el microscopio SCATTIRSTORM de Penn State, que el equipo diseñó y construyó para este mismo propósito, para rastrear las moléculas en cada paso del proceso de descomposición e interpretaron los videos resultantes utilizando procesamiento computacional y modelado bioquímico.
"Los métodos tradicionales observan el proceso de degradación a mayor escala, manipulan artificialmente la posición de la enzima o sólo capturan moléculas en movimiento, lo que significa que se pueden perder algunos de los procesos que ocurren naturalmente", dijo Will Hancock, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Pensilvania. State College of Engineering y autor del artículo. "Utilizando el microscopio SCATTIRSTORM, pudimos observar enzimas celulasas individuales en acción para identificar realmente qué está ralentizando este proceso y generar nuevas ideas sobre cómo hacerlo más eficiente".
Los investigadores estudiaron específicamente el efecto de una enzima celulasa fúngica llamada Cel7A. Como parte del proceso de descomposición, Cel7A introduce celulosa en una especie de túnel molecular, donde se tritura.
"Cel7A mueve la cadena de glucosa a la 'puerta principal' del túnel, la cadena se escinde y los productos salen por la 'puerta trasera' en una especie de tubería", dijo Daguan Nong, profesor asistente de investigación de ingeniería biomédica en el Penn State College of Engineering y primer autor del artículo.
"No estamos exactamente seguros de cómo la enzima conecta la cadena de glucosa hasta el túnel o qué sucede exactamente dentro, pero sabíamos por estudios previos que el producto que sale por la puerta trasera, la celobiosa, puede interferir con el procesamiento posterior de la celulosa. moléculas. Ahora sabemos más sobre cómo interfiere."
Dentro del túnel, Cel7A corta la celulosa (que tiene unidades repetidas de glucosa) en fragmentos de celobiosa de dos azúcares. Los investigadores descubrieron que la celobiosa en solución puede unirse a la "puerta trasera" del túnel, lo que puede ralentizar la salida de las moléculas de celobiosa posteriores, ya que esencialmente bloquea el camino. Además, descubrieron que puede unirse a Cel7A cerca de la puerta principal, evitando que la enzima se una a celulosa adicional.
"Debido a que la celobiosa es tan similar a la celulosa, tal vez no sea sorprendente que los pequeños trozos puedan entrar en el túnel", dijo Hancock. "Ahora que entendemos mejor cómo exactamente la celobiosa está estropeando las cosas, podemos explorar nuevas formas de ajustar este proceso. Por ejemplo, podríamos alterar la puerta delantera o trasera del túnel o cambiar aspectos de la enzima Cel7A. para ser más eficientes en la prevención de esta inhibición. Se ha trabajado mucho para diseñar enzimas celulasas más eficientes en las últimas dos décadas, y es un enfoque increíblemente poderoso que nos ayudará a comprender mejor los mecanismos moleculares que limitan la degradación de la celulosa. dirigir este esfuerzo."
Esta investigación se basa en el trabajo reciente del equipo de investigación para comprender otros obstáculos al proceso de degradación (xilano y lignina) que publicaron recientemente en RSC Sustainability. y Biotecnología para Biocombustibles y Bioproductos .
"Descubrimos que el xilano y la lignina operan de diferentes maneras para interferir con la descomposición de la celulosa", dijo Nerya Zexer, investigadora postdoctoral en biología en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y autora principal del artículo RSC Sustainability. "Xilano recubre la celulosa, reduciendo la proporción de enzimas que pueden unirse y mover la celulosa. La lignina inhibe la capacidad de la enzima para unirse a la celulosa, así como su movimiento, reduciendo la velocidad y la distancia de la enzima".
Aunque existen estrategias para eliminar componentes como el xilano y la lignina de la celulosa, los investigadores dijeron que la eliminación de la celobiosa es más difícil. Un método utiliza una segunda enzima para escindir la celobiosa, pero añade costos y complejidad adicionales al sistema.
"Alrededor de 50 centavos por galón de los costos de producción de bioetanol se dedican sólo a las enzimas, por lo que minimizar este costo ayudaría mucho en términos de hacer que el bioetanol a partir de desechos vegetales sea más competitivo con los combustibles fósiles o el etanol a base de maíz", dijo Anderson. "Continuaremos investigando cómo diseñar enzimas y explorar cómo las enzimas podrían trabajar juntas con el objetivo de hacer que este proceso sea lo más económico y eficiente posible".
El equipo de investigación de Penn State también incluye a Zachary Haviland, estudiante universitario con especialización en ingeniería biomédica en el momento de la investigación; Sarah Pfaff, estudiante de posgrado en biología en el momento de la investigación; Daniel Cosgrove, titular de la Cátedra de Biología de la Familia Eberly; Ming Tien, profesor emérito de bioquímica y biología molecular; y Alec Paradiso, estudiante universitario con especialización en biotecnología.
Más información: Daguan Nong et al, El seguimiento de una sola molécula revela una inhibición dual de puerta delantera/puerta trasera de la celulasa Cel7A por su producto celobiosa, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2322567121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias , Sostenibilidad RSC
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
