La produzione di biocarburanti come l'etanolo da materiali vegetali richiede vari enzimi per abbattere le fibre cellulosiche. Gli scienziati che utilizzano lo scattering di neutroni hanno identificato le specifiche di una reazione catalizzata da enzimi che potrebbe ridurre significativamente la quantità totale di enzimi utilizzati, miglioramento dei processi produttivi e riduzione dei costi.

I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e della North Carolina State University hanno utilizzato una combinazione di cristallografia a raggi X e neutroni per determinare la struttura atomica dettagliata di un enzima fungino specializzato. Una comprensione più profonda della reattività degli enzimi potrebbe anche portare a modelli computazionali migliorati che guideranno ulteriormente le applicazioni industriali per forme di energia più pulite. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Angewandte ChemieInternational Edition.

Parte di una famiglia più ampia nota come monoossigenasi di polisaccaridi litici, o LPMO, questi enzimi dipendenti dall'ossigeno agiscono in tandem con gli enzimi idrolitici, che scindono chimicamente grandi molecole complesse con l'acqua, ossidando e rompendo i legami che tengono insieme le catene di cellulosa. Gli enzimi combinati possono digerire la biomassa più rapidamente degli enzimi attualmente utilizzati e accelerare il processo di produzione del biocarburante.

"Questi enzimi sono già utilizzati in applicazioni industriali, ma non sono ben comprese, " ha detto l'autore principale Brad O'Dell, uno studente laureato della NC State che lavora nella divisione di biologia e materia morbida della direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL. "Comprendere ogni fase del meccanismo d'azione LPMO aiuterà l'industria a utilizzare questi enzimi al massimo del loro potenziale e, di conseguenza, rendere i prodotti finali più economici."

In un enzima LPMO, ossigeno e cellulosa si organizzano attraverso una sequenza di passaggi prima che avvenga la reazione di decostruzione della biomassa. Un po' come "al tuo segno, preparatevi, andare, "dice O'Dell.

Per comprendere meglio il meccanismo di reazione dell'enzima, O'Dell e la coautrice Flora Meilleur, Scienziato di strumenti ORNL e professore associato presso lo stato NC, ha utilizzato il diffrattometro a diffusione di neutroni IMAGINE presso il reattore ad isotopi ad alto flusso dell'ORNL per vedere come si comportavano l'enzima e le molecole di ossigeno nelle fasi che portavano alla reazione, dallo "stato di riposo" allo "stato attivo".

Lo stato di riposo, O'Dell dice, è dove tutti i componenti critici dell'enzima si riuniscono per legare ossigeno e carboidrati. Quando gli elettroni vengono consegnati all'enzima, il sistema passa dallo stato di riposo allo stato attivo, cioè da "sul tuo segno" a "preparati".

Nello stato attivo, l'ossigeno si lega a uno ione rame che avvia la reazione. Aiutato dalla diffrazione di raggi X e neutroni, O'Dell e Meilleur hanno identificato una molecola di ossigeno mai vista prima, stabilizzata da un amminoacido, istidina 157.

L'idrogeno è un elemento chiave degli amminoacidi come l'istidina 157. Poiché i neutroni sono particolarmente sensibili agli atomi di idrogeno, il team è stato in grado di determinare che l'istidina 157 svolge un ruolo significativo nel trasporto di molecole di ossigeno allo ione rame nel sito attivo, rivelando un dettaglio vitale sulla prima fase della reazione catalitica LPMO.

"Poiché i neutroni ci permettono di vedere gli atomi di idrogeno all'interno dell'enzima, abbiamo acquisito informazioni essenziali per decifrare la chimica delle proteine. Senza quei dati, il ruolo dell'istidina 157 sarebbe rimasto poco chiaro, " Meilleur ha detto. "I neutroni sono stati determinanti nel determinare come l'istidina 157 stabilizza l'ossigeno per avviare la prima fase del meccanismo di reazione LPMO".

I loro risultati sono stati successivamente confermati tramite calcoli di chimica quantistica eseguiti dal coautore Pratul Agarwal della Direzione Computing and Computational Sciences dell'ORNL.

La preparazione del materiale di ricerca è stata supportata dal Centro ORNL per la biologia molecolare strutturale. I dati a raggi X sono stati raccolti presso l'Argonne National Laboratory Advanced Photon Source attraverso l'accesso fornito dal Southeast Regional Collaborative Access Team.

O'Dell afferma che i loro risultati perfezionano l'attuale comprensione degli LPMO per i ricercatori scientifici e industriali.

"Questo è un grande passo avanti nel svelare come gli LPMO iniziano la scomposizione dei carboidrati, "O'Dell ha detto. "Ora dobbiamo caratterizzare lo stato attivato dell'enzima quando la proteina è anche legata a un carboidrato che imita la cellulosa. Poi avremo la possibilità di vedere quali cambiamenti strutturali accadono quando viene sparato il colpo di pistola e la reazione decolla".