Utilizzando la cristallografia di neutroni, un gruppo di ricerca di Los Alamos ha mappato la struttura tridimensionale di una proteina che scompone i polisaccaridi, come la cellulosa fibrosa di erbe e piante legnose, una scoperta che potrebbe aiutare a ridurre il costo della creazione di biocarburanti. La ricerca si è concentrata su una classe di enzimi rame-dipendenti chiamati lytic polysaccharide monooxygenases (LPMO), che batteri e funghi usano per abbattere naturalmente la cellulosa e i biopolimeri di chitina strettamente correlati.

"A lungo termine, comprendere il meccanismo di questa classe di proteine ​​può portare a enzimi con caratteristiche migliorate che rendono la produzione di etanolo sempre più economicamente fattibile, " ha detto Julian Chen, uno scienziato del Los Alamos National Laboratory che ha partecipato alla ricerca.

Un team multi-istituzionale ha utilizzato l'impianto di diffusione di neutroni presso la Spallation Neutron Source (SNS) presso l'Oak Ridge National Laboratory e la sorgente di raggi X di sincrotrone Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory per studiare l'LPMO. Sia SNS che ALS sono strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Chen, scienziati della divisione di bioscienze di Los Alamos, Clifford Unkefer, e l'ex borsista post-dottorato John Bacik, lavorando con i collaboratori dell'Oak Ridge National Laboratory, Laboratorio Lawrence Berkeley, e l'Università norvegese delle scienze della vita, risolto la struttura di un LPMO che degrada la chitina dal batterio Jonesia denitrificans (JdLPMO10A). I risultati del team sono pubblicati sulla rivista Biochimica .

Una delle maggiori sfide che gli scienziati dei biocarburanti devono affrontare è trovare modi convenienti per rompere i polisaccaridi come gli amidi e la cellulosa, che sono ampiamente distribuiti nelle piante, nei loro zuccheri sottocomponenti per la produzione di biocarburanti. enzimi LPMO, che sono visti come la chiave di questo processo, utilizzare un singolo ione di rame per attivare l'ossigeno, un passaggio critico per l'azione degradante catalitica dell'enzima.

Mentre il meccanismo specifico dell'azione dell'LPMO rimane incerto, si pensa che la catalisi implichi la formazione iniziale di un superossido per trasferimento di elettroni dallo ione rame ridotto. Comprendendo la posizione dello ione rame e la costellazione di atomi vicino ad esso, i ricercatori sperano di chiarire di più sulla funzione dell'enzima. Per fare questo, si basano prima sulla determinazione della struttura dell'enzima.

Sebbene siano attualmente disponibili numerose strutture cristallografiche a raggi X per LPMO da specie fungine e batteriche, questa nuova struttura è più completa. I ricercatori hanno utilizzato la cristallografia a raggi X per risolvere la struttura tridimensionale in modo chiaro e dettagliato di tutti gli atomi ad eccezione degli idrogeni, gli atomi più piccoli e più abbondanti nelle proteine. Le posizioni degli atomi di idrogeno sono importanti per chiarire le caratteristiche funzionali della proteina bersaglio e possono essere visualizzate al meglio utilizzando una cristallografia di neutroni. I ricercatori hanno utilizzato questa tecnica complementare, determinare la struttura tridimensionale dell'LPMO, ma evidenziando gli atomi di idrogeno.

In particolare, in questo studio l'enzima LPMO cristallizzato è stato colto nell'atto di legare l'ossigeno. Insieme alle recenti strutture di LPMO da un'ampia varietà di specie fungine e batteriche, i risultati di questo studio indicano un meccanismo comune di degradazione della biomassa cellulosica nonostante ampie differenze nelle loro sequenze proteiche. Questo studio ha approfondito il meccanismo d'azione degli LPMO, in particolare il ruolo dello ione rame e la natura del coinvolgimento dell'ossigeno.

La ricerca sui biocarburanti fa parte della missione del Los Alamos National Laboratory, focalizzata sull'integrazione di soluzioni di ricerca e sviluppo per ottenere il massimo impatto sulle priorità strategiche di sicurezza nazionale come le nuove fonti di energia.