细菌攻击木质素与酶标签团队

赋予纸张，竹子和木框架建筑物 - 木质素和纤维素 - 的强度的分子长期阻碍了生物燃料研究人员锁定了一半以上的植物能量产生的糖。莱斯大学的科学家，威斯康星大学麦迪逊分校的大湖生物能源研究中心和加利福尼亚州埃默里维尔的联合生物能源研究所的科学家们发现了一种可以指向未来生物燃料过程的研究，他们发现了两种细菌酶以团队的形式分解木质素。

“最终，我们希望使用酶发酵 - 酿酒商和酿酒师几个世纪以来一直使用的过程 - 将所有的糖从植物转化为乙醇和其他燃料，”莱斯的乔治菲利普斯说，该研究的合着者生物化学杂志。“最大的目标是纤维素，它是木材，草茎和玉米秸秆的主要成分。纤维素基本上是糖，但它紧密地包裹在一种几乎不可消化的结晶化合物中。有一些真菌和细菌已经开发出酶把它拆开，但这是一个非常缓慢的过程，这就是为什么死树可能需要数年才能分解。“

木质素是植物纤维的另一个主要成分，占生物量中碳的三分之一，这使得任何想要食用纤维素的微生物或任何希望将其转化为生物燃料的科学家都存在问题。木质素具有胶状稠度，可以涂覆和保护纤维素。

“纤维素是坚韧的，但有机体甚至无法通过木质素咀嚼它，”菲利普斯，莱斯的拉尔夫和多萝西洛尼生物化学和细胞生物学教授和化学教授说。对于工业而言，分解木质素经常被证明是比纤维素更难的挑战。因此，生物燃料和造纸工业大多将木质素作为废物去除，分离和丢弃。

研究报告的共同作者，威斯康星大学麦迪逊分校细菌学教授，大湖生物能源研究中心主任蒂莫西多诺霍说：“如果我们能将木质素从不良副产物转化为先进生物燃料和其他有利可图的化学品的原料，我们就会大大改变了未来生物精炼厂的经济效益。“

该中心是由能源部资助的三个中心之一，旨在实现纤维素生物燃料技术的转型突破。由Donohue和Phillips领导的一组研究人员着眼于利用自然界已经发展的技术来分解木质素，他们开始研究切割木质素内特定化学键的细菌酶。

最初的目标是设计一种能够完成自然界中几种酶的新酶。但事实证明这是一项不可能完成的任务，部分原因是木质素分子是不规则的。它们由数百个向左或向右扭曲的组件组成，但是扭曲的模式不会重复，并且一种用于打破左手键合的酶不会切割右手键。

“制作单一酶就像试图制作一个专为左手设计的手套，”该研究的联合主要作者，最近获得博士学位的Kate Helmich说。毕业于威斯康星大学麦迪逊分校的生物化学系。“我们的两只手是相同手指的不同配置，而木质素就像许多不同手的链条。整个链条的降级需要一种酶或手套，它可以附着在左手和右手中。”

研究人员发现，Sphingobium细菌使用两种酶，即LigE和LigF，作为一个团队攻击木质素。

菲利普斯说：“关键的发现是我们现在明白了左手版本和右手版本是如何被打破的。” “这不是通过一种超级酶，而是通过团队合作，你有一个左边一个，一个右边。“直到Donohue和他的团队制造了左手和右手的化合物，然后用纯化的酶测定它们时，细菌是如何做到的还不清楚。这些实验证明，一个在左边工作，一个在右边工作。 “

Helmich和Phillips使用X射线晶体学来分析酶的结构，并展示每个人如何完成其​​专业任务。

2013年从威斯康星大学麦迪逊分校转到赖斯的菲利普斯表示，该研究表明，生物燃料加工商需要一种专门的酶混合物来将木质素分解成可发酵的成分。“现在我们知道，这样的鸡尾酒需要包括像LigE和LigF这样的东西才能让木质素的双手被打开，”他说。