La producción de biocombustibles como el etanol a partir de materiales vegetales requiere varias enzimas para descomponer las fibras celulósicas. Los científicos que utilizan la dispersión de neutrones han identificado las características específicas de una reacción catalizada por enzimas que podría reducir significativamente la cantidad total de enzimas utilizadas. mejorando los procesos de producción y bajando los costos.

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Carolina del Norte utilizaron una combinación de cristalografía de rayos X y neutrones para determinar la estructura atómica detallada de una enzima fúngica especializada. Una comprensión más profunda de la reactividad enzimática también podría conducir a modelos computacionales mejorados que guiarán aún más las aplicaciones industriales para formas de energía más limpias. Sus resultados se publican en la revista Angewandte ChemieInternational Edition.

Parte de una familia más grande conocida como monooxigenasas de polisacáridos líticos, o LPMO, estas enzimas dependientes de oxígeno actúan en conjunto con las enzimas hidrolíticas, que descomponen químicamente moléculas complejas grandes con agua, oxidando y rompiendo los enlaces que mantienen unidas las cadenas de celulosa. Las enzimas combinadas pueden digerir la biomasa más rápidamente que las enzimas utilizadas actualmente y acelerar el proceso de producción de biocombustible.

"Estas enzimas ya se utilizan en aplicaciones industriales, pero no se entienden bien, "dijo el autor principal Brad O'Dell, un estudiante graduado de NC State que trabaja en la División de Biología y Materias Blandas de la Dirección de Ciencias Neutrónicas de ORNL. "Comprender cada paso del mecanismo de acción de LPMO ayudará a la industria a utilizar estas enzimas en todo su potencial y, como resultado, abaratar los productos finales ".

En una enzima LPMO, el oxígeno y la celulosa se organizan mediante una secuencia de pasos antes de que se produzca la reacción de deconstrucción de la biomasa. Algo así como "en tu marca, prepárate, ir, "dice O'Dell.

Para comprender mejor el mecanismo de reacción de la enzima, O'Dell y la coautora Flora Meilleur, Científico de instrumentos ORNL y profesor asociado en NC State, usó el difractómetro de dispersión de neutrones IMAGINE en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL para ver cómo se comportaban las moléculas de oxígeno y enzima en los pasos previos a la reacción, desde el "estado de reposo" al "estado activo".

El estado de reposo O'Dell dice:es donde todos los componentes críticos de la enzima se ensamblan para unir oxígeno y carbohidratos. Cuando se entregan electrones a la enzima, el sistema pasa del estado de reposo al estado activo, es decir, de "en su marca" a "listo".

En el estado activo, el oxígeno se une a un ion de cobre que inicia la reacción. Ayudado por difracción de rayos X y neutrones, O'Dell y Meilleur identificaron una molécula de oxígeno nunca antes vista que estaba siendo estabilizada por un aminoácido, histidina 157.

El hidrógeno es un elemento clave de aminoácidos como la histidina 157. Dado que los neutrones son particularmente sensibles a los átomos de hidrógeno, el equipo pudo determinar que la histidina 157 desempeña un papel importante en el transporte de moléculas de oxígeno al ión de cobre en el sitio activo, revelando un detalle vital sobre el primer paso de la reacción catalítica LPMO.

"Debido a que los neutrones nos permiten ver átomos de hidrógeno dentro de la enzima, obtuvimos información esencial para descifrar la química de las proteínas. Sin esos datos, el papel de la histidina 157 no habría quedado claro, "Dijo Meilleur." Los neutrones fueron fundamentales para determinar cómo la histidina 157 estabiliza el oxígeno para iniciar el primer paso del mecanismo de reacción LPMO ".

Sus resultados fueron posteriormente confirmados a través de cálculos químicos cuánticos realizados por el coautor Pratul Agarwal de la Dirección de Informática y Ciencias Computacionales de ORNL.

La preparación del material de investigación fue financiada por el Centro ORNL de Biología Molecular Estructural. Los datos de rayos X se recolectaron en la Fuente de Fotones Avanzados del Laboratorio Nacional Argonne a través del acceso proporcionado por el Equipo de Acceso Colaborativo Regional del Sureste.

O'Dell dice que sus resultados refinan la comprensión actual de las LPMO para los investigadores de la ciencia y la industria.

"Este es un gran paso adelante para descubrir cómo los LPMO inician la descomposición de los carbohidratos, "O'Dell dijo." Ahora tenemos que caracterizar el estado activado de la enzima cuando la proteína también está unida a un carbohidrato que imita la celulosa. Entonces tendremos la oportunidad de ver qué cambios estructurales ocurren cuando se dispara el pistoletazo de salida y la reacción despega ".