La cellulosa, che contribuisce a conferire alle pareti cellulari delle piante una struttura rigida, è promettente come materia prima rinnovabile per i biocarburanti, se i ricercatori riusciranno ad accelerare il processo di produzione. Rispetto alla scomposizione di altri materiali biocarburanti come il mais, la scomposizione della cellulosa è lenta e inefficiente, ma potrebbe evitare preoccupazioni sull’utilizzo di una fonte alimentare sfruttando al tempo stesso abbondanti materiali vegetali che altrimenti potrebbero andare sprecati. Una nuova ricerca condotta da ricercatori della Penn State ha rivelato come diversi ostacoli molecolari rallentino questo processo.
Lo studio più recente del team, pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences , descrive il processo molecolare mediante il quale il cellobiosio, un frammento di cellulosa composto da due zuccheri prodotto durante la decostruzione della cellulosa, può intasare la tubazione e interferire con la successiva degradazione della cellulosa.
La produzione di biocarburanti si basa sulla scomposizione di composti come l’amido o la cellulosa in glucosio, che può poi essere fermentato in modo efficiente in etanolo da utilizzare come combustibile o convertito in altri materiali utili. L'opzione di biocarburante predominante oggi sul mercato viene generata dal mais, in parte perché, secondo i ricercatori, i suoi amidi si decompongono facilmente.
"Ci sono diverse preoccupazioni sull'utilizzo del mais come fonte di biocarburante, inclusa la concorrenza con l'offerta alimentare globale e la grande quantità di gas serra prodotti durante la produzione di etanolo a base di mais", ha affermato Charles Anderson, professore di biologia presso il Penn State Eberly College di Science e autore dell'articolo.
"Un'alternativa promettente è quella di scomporre la cellulosa dalle parti non commestibili delle piante come gli steli del mais, altri scarti vegetali come i residui forestali e colture potenzialmente dedicate che potrebbero essere coltivate su terreni marginali. Ma una delle cose principali che frenano così- chiamati biocarburanti di seconda generazione dall'essere economicamente competitivi è che l'attuale processo di degradazione della cellulosa è lento e inefficiente."
"Abbiamo utilizzato una tecnica di imaging relativamente nuova per esplorare i meccanismi molecolari che rallentano questo processo."
La cellulosa è composta da catene di glucosio, tenute insieme da legami idrogeno in strutture cristalline. Gli scienziati utilizzano enzimi chiamati cellulasi, derivati da funghi o batteri, per scomporre il materiale vegetale ed estrarre il glucosio dalla cellulosa. Ma, hanno detto i ricercatori, la struttura cristallina della cellulosa abbinata ad altri composti chiamati xilano e lignina, presenti anche nelle pareti cellulari, rappresentano ulteriori sfide per la degradazione della cellulosa. Le tecniche tradizionali, tuttavia, non sono state in grado di rivelare i meccanismi molecolari specifici di questi rallentamenti.
Per esplorare questi meccanismi poco chiari, i ricercatori hanno etichettato chimicamente le singole cellulasi con marcatori fluorescenti. Hanno quindi utilizzato il microscopio SCATTIRSTORM della Penn State, che il team ha progettato e costruito proprio per questo scopo, per tracciare le molecole attraverso ogni fase del processo di degradazione e hanno interpretato i video risultanti utilizzando l'elaborazione computazionale e la modellazione biochimica.
"I metodi tradizionali osservano il processo di degradazione su scala più ampia, manipolano artificialmente la posizione dell'enzima o catturano solo le molecole in movimento, il che significa che potresti perdere parte del processo che avviene naturalmente", ha affermato Will Hancock, professore di ingegneria biomedica alla Penn State College of Engineering e autore dell'articolo. "Utilizzando il microscopio SCATTIRSTORM, siamo stati in grado di osservare i singoli enzimi cellulasi in azione per capire davvero cosa sta rallentando questo processo e generare nuove idee su come renderlo più efficiente."
I ricercatori hanno studiato specificamente l’effetto di un enzima cellulasi fungina chiamato Cel7A. Come parte del processo di degradazione, Cel7A alimenta la cellulosa in una sorta di tunnel molecolare, dove viene sminuzzata.
"Cel7A sposta la catena del glucosio verso la 'porta d'ingresso' del tunnel, la catena viene scissa e i prodotti escono dalla 'porta sul retro' in una sorta di conduttura", ha affermato Daguan Nong, assistente professore di ricerca di ingegneria biomedica presso l'Università di Los Angeles. Penn State College of Engineering e primo autore dell'articolo.
"Non siamo esattamente sicuri di come l'enzima infili la catena del glucosio nel tunnel o di cosa avvenga esattamente all'interno, ma sapevamo da studi precedenti che il prodotto che esce dalla porta sul retro, il cellobiosio, può interferire con la lavorazione della successiva cellulosa molecole. Ora sappiamo di più su come interferisce."
All'interno del tunnel, Cel7A sminuzza la cellulosa, che contiene unità ripetitive di glucosio, in frammenti di cellobiosio composti da due zuccheri. I ricercatori hanno scoperto che il cellobiosio in soluzione può legarsi alla “porta sul retro” del tunnel, che può rallentare l’uscita delle successive molecole di cellobiosio poiché essenzialmente blocca la strada. Inoltre, hanno scoperto che può legarsi a Cel7A vicino alla porta d'ingresso, impedendo all'enzima di legarsi ad altra cellulosa.
"Poiché il cellobiosio è così simile alla cellulosa, forse non sorprende che i piccoli pezzi possano entrare nel tunnel", ha detto Hancock. "Ora che abbiamo una migliore comprensione di come esattamente il cellobiosio stia rovinando le cose, possiamo esplorare nuovi modi per mettere a punto questo processo. Ad esempio, potremmo alterare la porta anteriore o posteriore del tunnel o cambiare aspetti dell'enzima Cel7A per essere più efficienti nel prevenire questa inibizione. Negli ultimi due decenni è stato fatto molto lavoro per progettare enzimi cellulasi più efficienti, ed è un approccio incredibilmente potente che ci aiuterà a comprendere meglio i meccanismi molecolari che limitano la degradazione della cellulosa dirigere questo sforzo."
Questa ricerca si basa sul recente lavoro svolto dal team di ricerca per comprendere altri ostacoli al processo di degradazione, xilano e lignina, pubblicato di recente su RSC Sustainability e Biotecnologia per biocarburanti e bioprodotti .
"Abbiamo scoperto che lo xilano e la lignina operano in modi diversi per interferire con la scomposizione della cellulosa", ha affermato Nerya Zexer, ricercatrice post-dottorato in biologia presso il Penn State Eberly College of Science e autrice principale del documento sulla sostenibilità dell'RSC. "Lo xilano riveste la cellulosa, riducendo la proporzione degli enzimi che possono legarsi e spostare la cellulosa. La lignina inibisce la capacità dell'enzima di legarsi alla cellulosa così come il suo movimento, riducendo la velocità e la distanza dell'enzima."
Sebbene esistano strategie per rimuovere componenti come lo xilano e la lignina dalla cellulosa, i ricercatori hanno affermato che la rimozione del cellobiosio è più difficile. Un metodo utilizza un secondo enzima per scindere il cellobiosio, ma aggiunge costi e complessità aggiuntivi al sistema.
"Circa 50 centesimi per gallone dei costi di produzione del bioetanolo sono dedicati solo agli enzimi, quindi ridurre al minimo questo costo farebbe molto in termini di rendere il bioetanolo dai rifiuti vegetali più competitivo con i combustibili fossili o con l'etanolo derivato dal mais", ha affermato Anderson. "Continueremo a studiare come progettare gli enzimi ed esplorare come gli enzimi potrebbero collaborare con l'obiettivo di rendere questo processo il più economico ed efficiente possibile."
Il gruppo di ricerca della Penn State comprende anche Zachary Haviland, studente universitario laureato in ingegneria biomedica al momento della ricerca; Sarah Pfaff, dottoranda in biologia al momento della ricerca; Daniel Cosgrove, titolare della cattedra di biologia della famiglia Eberly; Ming Tien, professore emerito di biochimica e biologia molecolare; e Alec Paradiso, studente universitario laureando in biotecnologie.
Ulteriori informazioni: Daguan Nong et al, Il tracciamento di una singola molecola rivela la doppia inibizione della porta anteriore/posteriore della cellulasi Cel7A da parte del suo prodotto cellobiosio, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2322567121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Sostenibilità RSC
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