1° de Febrero de 2012.
Por: Aaron Dubrow.
Si un árbol cae en el bosque y no hay enzimas para digerirlo, ¿no se descompone?
Es una cuestión que tiene importantes ramificaciones para la industria de las energías renovables. Los ingenieros están estudiando métodos para transformar material vegetal no alimentario en combustible para el transporte. Piensan en tallos de alfalfa o troceados de madera (que tienen la energía contenida en una molécula que los seres humanos no pueden digerir llamada celulosa), en oposición a los granos de maíz comestible que se utilizan en la producción de etanol para biocombustibles.
"La celulosa en la biosfera puede durar años", dijo Gregg Beckham, un científico en el Centro Nacional de Bioenergía. "Es realmente duro, y queremos saber por qué, a escala molecular".
"La celulosa en la biosfera puede durar años", dijo Gregg Beckham, un científico en el Centro Nacional de Bioenergía. "Es realmente duro, y queremos saber por qué, a escala molecular".
A pesar de la fortaleza de las paredes celulares de plantas hechas de esta dura molécula de celulosa, durante millones de años las enzimas de hongos y las bacterias han evolucionado para convertir la abundante materia vegetal celulósica en azúcares para su uso como fuente de energía para sostener la vida.
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| Esta es una imagen de la enzima digestora de celulosa del hongo Trichoderma reesei. El cristal de celulosa que la enzima está digiriendo se muestra en verde. El carbohidrato de la enzima módulo de unión está a la izquierda; el enlazador flexible es amarillo. Esta enzima es de interés para su uso en la producción de biocombustibles. Crédito: Laboratorio Nacional de Energías Renovables. |
Desglosando en el laboratorio.
Por desgracia, estas enzimas particulares no funcionan lo suficientemente rápido como para romper la celulosa en un paso (y precio) que sea competitivo con los combustibles fósiles ... todavía. Por lo tanto, los científicos computacionales del NREL se dedicaron a tratar de entender y crear mejores , " diseñadores" de las enzimas para acelerar la producción de biocombustibles y reducir el coste del combustible derivado de la biomasa al servicio de la población mundial.
"Es un problema de Ricitos de Oro", dijo Beckham. "Las enzimas tienen que estar" perfectas", y estamos tratando de averiguar lo" correcto "el, por qué y cómo hacer que las mutaciones de las enzimas para hacerlas más eficientes."
Por desgracia, estas enzimas particulares no funcionan lo suficientemente rápido como para romper la celulosa en un paso (y precio) que sea competitivo con los combustibles fósiles ... todavía. Por lo tanto, los científicos computacionales del NREL se dedicaron a tratar de entender y crear mejores , " diseñadores" de las enzimas para acelerar la producción de biocombustibles y reducir el coste del combustible derivado de la biomasa al servicio de la población mundial.
"Es un problema de Ricitos de Oro", dijo Beckham. "Las enzimas tienen que estar" perfectas", y estamos tratando de averiguar lo" correcto "el, por qué y cómo hacer que las mutaciones de las enzimas para hacerlas más eficientes."
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| Un modelo de un sistema para digerir la celulosa de una bacteria, como es en sí el montaje. El largo andamio (en azul) contiene sitios de unión para las enzimas libres (rojo, amarillo y verde) de diferentes tamaños. Crédito: Laboratorio Nacional de Energías Renovables. |
Proteínas por Supercomputadores.
En una serie de proyectos vinculados, los investigadores utilizaron el apoyo de la National Science Foundation del supercomputador Ranger en el Texas Advanced Computing Center y la Red del Laboratorio de Energía del sistema Mesa para simular el mundo de las enzimas. Los investigadores exploraron las enzimas enormemente digestoras de material vegetal del hongo Trichoderma reesei y la bacteria Clostridium thermocellum que se alimenta de la celulosa. Ambos organismos son eficaces en la conversión de biomasa a energía, a pesar de que utilizan diferentes estrategias.
"La naturaleza ingeniosamente ha diseñado mecanismo para que los organismos unicelulares localizen la celulosa, entonces secretan grandes complejos de enzimas que mantienen las células cerca de la biomasa, mientras que las enzimas la degradan", dijo Beckham.
En una serie de proyectos vinculados, los investigadores utilizaron el apoyo de la National Science Foundation del supercomputador Ranger en el Texas Advanced Computing Center y la Red del Laboratorio de Energía del sistema Mesa para simular el mundo de las enzimas. Los investigadores exploraron las enzimas enormemente digestoras de material vegetal del hongo Trichoderma reesei y la bacteria Clostridium thermocellum que se alimenta de la celulosa. Ambos organismos son eficaces en la conversión de biomasa a energía, a pesar de que utilizan diferentes estrategias.
"La naturaleza ingeniosamente ha diseñado mecanismo para que los organismos unicelulares localizen la celulosa, entonces secretan grandes complejos de enzimas que mantienen las células cerca de la biomasa, mientras que las enzimas la degradan", dijo Beckham.
La bacteria forma andamios para sus enzimas, que trabajan juntas para romper el vegetal. Las enzimas fúngicas, por otro lado, no están atadas a un gran complejo, sino que actúan independientemente.
No está claro cómo la enzima constituye los andamios, por lo que los investigadores crearon un modelo computacional de las moléculas activas y los puso en movimiento en un entorno virtual. Contrariamente a las expectativas, las enzimas más grandes, las más lentas permaneció cerca del andamio más tiempo, lo que les permite unirse a la estructura con más frecuencia, las más pequeñas se movían más rápido y más libremente a través de la solución, sino que estan ligadas con menos frecuencia.
No está claro cómo la enzima constituye los andamios, por lo que los investigadores crearon un modelo computacional de las moléculas activas y los puso en movimiento en un entorno virtual. Contrariamente a las expectativas, las enzimas más grandes, las más lentas permaneció cerca del andamio más tiempo, lo que les permite unirse a la estructura con más frecuencia, las más pequeñas se movían más rápido y más libremente a través de la solución, sino que estan ligadas con menos frecuencia.
Los resultados del estudio, dirigido por investigadores del NREL, Yannick Bomble y Crowley Mike, se reportó en el Journal of Biological Chemistry, en febrero de 2011. Las ideas están siendo utilizados en la creación de diseñadores de enzimas para hacer la conversión de biomasa más rápida, más eficiente y menos costosa.
Función inexplorada de la enzima.
Los científicos también estudiaron las partes de la enzima llamada la molécula de unión a carbohidratos - un pegajoso "pie" que ayuda a las enzimas a encontrar y guiar la celulosa en su sitio activo - y la región de unión, que une el pie al cuerpo principal de la enzima. La molécula de carbohidrato vinculante y la región de unión se pensó durante mucho tiempo que jugaba un papel menor en la función enzimática, sin embargo, sin ellos, la enzima no puede convertir la celulosa en glucosa con eficacia. Los investigadores se preguntaron por qué.
Usando el supercomputador Ranger, los investigadores hicieron varios descubrimientos importantes. En primer lugar, se encontró que la superficie de la celulosa tiene pozos de energía que se establecen 1 nanómetro aparte, un ajuste perfecto para el módulo de enlace. También encontraron que la región de unión, que se creía que contiene ambas regiones rígidas y flexibles, se comporta más como una correa de sujeción muy flexible. Esos puntos de vista habría sido difícil de determinar experimentalmente, pero la hipótesis de ahora y una copia de seguridad con las simulaciones informáticas avanzadas, que pueden ser probados en el laboratorio.
Los científicos también estudiaron las partes de la enzima llamada la molécula de unión a carbohidratos - un pegajoso "pie" que ayuda a las enzimas a encontrar y guiar la celulosa en su sitio activo - y la región de unión, que une el pie al cuerpo principal de la enzima. La molécula de carbohidrato vinculante y la región de unión se pensó durante mucho tiempo que jugaba un papel menor en la función enzimática, sin embargo, sin ellos, la enzima no puede convertir la celulosa en glucosa con eficacia. Los investigadores se preguntaron por qué.
Usando el supercomputador Ranger, los investigadores hicieron varios descubrimientos importantes. En primer lugar, se encontró que la superficie de la celulosa tiene pozos de energía que se establecen 1 nanómetro aparte, un ajuste perfecto para el módulo de enlace. También encontraron que la región de unión, que se creía que contiene ambas regiones rígidas y flexibles, se comporta más como una correa de sujeción muy flexible. Esos puntos de vista habría sido difícil de determinar experimentalmente, pero la hipótesis de ahora y una copia de seguridad con las simulaciones informáticas avanzadas, que pueden ser probados en el laboratorio.
"Es un problema muy complicado para los experimentadores", dijo Crowley, científico principal del Laboratorio de Energía y su colega Beckham. "Estamos usando el diseño racional de entender cómo funciona la enzima, y luego predecir el mejor lugar para cambiar algo y probarlo."
La investigación aborda los cuellos de botella que impiden la actividad enzimática de las energías renovables a partir de biomasa que contiene celulosa para ser competitivos con los combustibles fósiles. "Si podemos ayudar a la industria a comprender y mejorar estos procesos para la producción de combustibles renovables, vamos a ser capaces de compensar una parte significativa del uso de combustibles fósiles en el largo plazo", dijo Beckham.
La investigación aborda los cuellos de botella que impiden la actividad enzimática de las energías renovables a partir de biomasa que contiene celulosa para ser competitivos con los combustibles fósiles. "Si podemos ayudar a la industria a comprender y mejorar estos procesos para la producción de combustibles renovables, vamos a ser capaces de compensar una parte significativa del uso de combustibles fósiles en el largo plazo", dijo Beckham.
Fuente: NSF.
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