Usando cristalografía de neutrones, un equipo de investigación de Los Alamos ha mapeado la estructura tridimensional de una proteína que descompone los polisacáridos, como la celulosa fibrosa de hierbas y plantas leñosas, un hallazgo que podría ayudar a reducir el costo de crear biocombustibles. La investigación se centró en una clase de enzimas dependientes de cobre llamadas monooxigenasas de polisacáridos líticos (LPMO), que las bacterias y los hongos utilizan para degradar de forma natural la celulosa y los biopolímeros de quitina estrechamente relacionados.

"A largo plazo, comprender el mecanismo de esta clase de proteínas puede conducir a enzimas con características mejoradas que hacen que la producción de etanol sea cada vez más viable económicamente, "dijo Julian Chen, un científico del Laboratorio Nacional de Los Alamos que participó en la investigación.

Un equipo de varias instituciones utilizó la instalación de dispersión de neutrones en la Fuente de neutrones de espalación (SNS) en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la fuente de rayos X de sincrotrón de Fuente de luz avanzada (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para estudiar LPMO. Tanto SNS como ALS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Los científicos de la División de Biociencia de Los Alamos Chen, Clifford Unkefer, y ex becario postdoctoral John Bacik, trabajando con colaboradores en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, Laboratorio Lawrence Berkeley, y la Universidad Noruega de Ciencias de la Vida, resolvió la estructura de un LPMO degradante de quitina de la bacteria Jonesia denitrificans (JdLPMO10A). Los resultados del equipo se publican en la revista Bioquímica .

Uno de los mayores desafíos que enfrentan los científicos de biocombustibles es encontrar formas rentables de descomponer polisacáridos como almidones y celulosa. que están ampliamente distribuidos en plantas, en sus subcomponentes azúcares para la producción de biocombustibles. Enzimas LPMO, que se consideran clave para este proceso, utilizar un solo ion de cobre para activar el oxígeno, un paso crítico para la acción de degradación catalítica de la enzima.

Si bien el mecanismo específico de acción de LPMO sigue siendo incierto, se cree que la catálisis implica la formación inicial de un superóxido por transferencia de electrones desde el ión de cobre reducido. Al comprender la ubicación del ion de cobre y la constelación de átomos cerca de él, los investigadores esperan dilucidar más sobre la función de la enzima. Para hacer esto, se basan en determinar primero la estructura de la enzima.

Aunque actualmente se dispone de varias estructuras cristalográficas de rayos X para LPMO de especies de hongos y bacterias, esta nueva estructura es más completa. Los investigadores utilizaron cristalografía de rayos X para resolver la estructura tridimensional en claro detalle de todos los átomos excepto los hidrógenos. los átomos más pequeños y abundantes de las proteínas. Las posiciones de los átomos de hidrógeno son importantes para dilucidar las características funcionales de la proteína diana y se pueden visualizar mejor utilizando una cristalografía de neutrones. Los investigadores utilizaron esta técnica complementaria, para determinar la estructura tridimensional del LPMO, pero destacando los átomos de hidrógeno.

Notablemente, En este estudio, la enzima LPMO cristalizada ha sido atrapada en el acto de unirse al oxígeno. Junto con las estructuras recientes de LPMO de una amplia variedad de especies de hongos y bacterias, Los resultados de este estudio indican un mecanismo común de degradación de la biomasa celulósica a pesar de las grandes diferencias en sus secuencias de proteínas. Este estudio ha contribuido a comprender mejor el mecanismo de acción de los LPMO, particularmente el papel del ion cobre y la naturaleza de la participación del oxígeno.

La investigación de biocombustibles es parte del enfoque de la misión del Laboratorio Nacional de Los Alamos en la integración de soluciones de investigación y desarrollo para lograr el máximo impacto en las prioridades estratégicas de seguridad nacional, como las nuevas fuentes de energía.