La Ciencia
En comparación con los cultivos de biocombustibles como el maíz, descomponer la celulosa de partes no comestibles de las plantas o de las hierbas que crecen en tierras marginales es lento e ineficiente. La celulosa es el componente fundamental de las paredes celulares de las plantas. Sin embargo, el uso de estas plantas no alimentarias podría ayudar a evitar las preocupaciones sobre el uso de fuentes alimentarias para producir combustible. La celulasa es una enzima producida por microorganismos que descompone el material vegetal en glucosa. Los científicos e ingenieros pueden luego fermentar esta glucosa para generar bioetanol, que puede utilizarse como sustituto de los combustibles fósiles. En trabajos recientes, investigadores utilizaron un microscopio óptico especializado para visualizar la interacción de enzimas de celulasa individuales con diferentes formas de celulosa. Al investigar la función enzimática en presencia del producto de la reacción y otros componentes de la biomasa vegetal, los investigadores obtuvieron nuevas ideas sobre cómo la enzima se une y procesa la celulosa.
El Impacto
Los investigadores descubrieron que el producto de la descomposición de la celulosa, la celobiosa, puede inhibir este proceso de descomposición de dos maneras. Puede unirse a la “puerta de entrada” de la enzima donde una hebra de celulosa se introduce en la enzima. Alternativamente, puede unirse a la “puerta trasera” de la enzima donde se descarga el producto de la descomposición. Este hallazgo proporciona nuevas vías para desarrollar enzimas modificadas que puedan tolerar trabajar a altas concentraciones de celobiosa. Los investigadores de bioenergía necesitan enzimas con una función mejorada para que los biocombustibles sean más rentables y reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
Resumen
Este estudio involucró la visualización de la celulasa modelo Cel7A utilizando microscopía de fluorescencia de molécula única en un microscopio “SCATTIRSTORM” especializado. Al investigar las enzimas que se unen y se desplazan a lo largo del sustrato de celulosa una a la vez, los investigadores revelaron el comportamiento de la enzima con mucho más detalle que los estudios a granel normales. Descubrieron que el producto de la descomposición de la celulosa, la celobiosa, ralentiza el movimiento de Cel7A a lo largo de la celulosa, lo que era de esperar, pero también que la celobiosa bloquea la unión de Cel7A a la celulosa, lo que fue una sorpresa. Esta actividad se puede explicar como una inhibición de la “puerta de entrada”, en la que la celobiosa obstruye la apertura de un túnel a través de la enzima donde normalmente se introduce la hebra de celulosa.
En un trabajo relacionado, los investigadores modificaron la celulosa con componentes de las paredes celulares vegetales normales, lignina y xilano, y se caracterizó la unión y el movimiento de Cel7A en estos sustratos de celulosa modificados. El xilano redujo la proporción de enzimas que pueden unirse y mover la celulosa, mientras que la lignina inhibió la capacidad de la enzima para unirse a la celulosa, así como la velocidad y la distancia de su movimiento.
Financiación
Esta investigación, incluida la construcción del microscopio SCATTIRSTORM, fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE), División de Ciencias de los Sistemas Biológicos del programa de Investigación Biológica y Ambiental y por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. El Centro para la Estructura y Formación de Lignocelulosa, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por DOE, proporcionó apoyo adicional.
