I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno acquisito nuove informazioni su come la glicosilazione, l'attaccamento naturale degli zuccheri alle proteine, influenzi un enzima chiave della cellulasi. Questo lavoro potrebbe essere utilizzato per migliorare le prestazioni degli enzimi per abbattere meglio la biomassa e convertire la materia vegetale di scarto in combustibili e prodotti rinnovabili. Vale a dire, più efficace è l'enzima, più efficiente ed economico sarà il processo.

La nuova ricerca, che si concentra sull'enzima Cel7A che scompone la cellulosa nelle piante in zuccheri, è dettagliato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) in un manoscritto intitolato "Ruoli distinti di N- e O-glicani nell'attività e stabilità delle cellulasi". Questo studio fa luce sulle funzioni specifiche dei piccoli zuccheri, o glicani, che i microbi si legano ai loro enzimi. Questa modificazione enzimatica mediante l'aggiunta di zuccheri è denominata "glicosilazione" ed è nota per avere un impatto sostanziale sulla funzione enzimatica.

Una donna e un uomo lavorano a un banco di laboratorio circondato da attrezzature da laboratorio.

La ricercatrice post-dottorato Antonella Amore e l'ingegnere senior Brandon Knott lavorano sui campioni in laboratorio. La nuova ricerca sui rapporti tra piccoli zuccheri (glicani), la loro funzione, e la loro posizione potrebbe essere utilizzata per migliorare le prestazioni degli enzimi per abbattere meglio la biomassa e convertire la materia vegetale di scarto in combustibili e prodotti rinnovabili. (Foto di Dennis Schroeder/NREL)

"Gli enzimi per la scomposizione della cellulosa sono notoriamente difficili da progettare per una migliore attività, " ha affermato Brandon Knott, ingegnere dello staff NREL, un coautore del documento. "È stato a lungo realizzato che la glicosilazione è una 'manopola da girare' in questo sforzo, ma i ruoli specifici dei diversi glicani sono stati sfuggenti".

Con l'incertezza sul modo in cui i diversi tipi di glicani si relazionano alle diverse funzioni enzimatiche, NREL ha sviluppato un sistema di espressione ricombinante unico per testare nuovi enzimi, producendo una vasta collezione di mutanti Cel7A che mancavano di varie combinazioni di siti di glicosilazione. Un team di ricercatori del NREL, l'Università della Georgia, e l'Università del Colorado, Masso, quindi caratterizzato tutti gli enzimi mutanti e confrontato le caratteristiche con quelle dell'enzima nativo per raccogliere dati critici sulle relazioni tra il glicano specifico, la sua funzione, e la sua posizione.

"Sulla base della letteratura, pensavamo già di conoscere la posizione di tutti i siti di glicosilazione, " ha detto la coautrice Antonella Amore, un ricercatore post-dottorato presso NREL. "Nel confermare le loro posizioni, non solo abbiamo scoperto nuovi glicani, abbiamo anche chiarito le strutture dei glicani in ogni sito specifico. Ciò fornisce informazioni su come il microbo protegge e decora i suoi enzimi per un'attività ottimale, che a sua volta fornisce indizi su come migliorarli per le applicazioni industriali."

Acquisire una comprensione più profonda della struttura di base, funzione, e le relazioni tra le proteine ​​è fondamentale per aiutare a progettare nuove strategie per migliorare le prestazioni complessive degli enzimi. Ma costruire un enzima superiore richiede la comprensione di una vasta combinazione di fattori. È importante sapere quali glicani proteggono dagli attacchi di proteasi, quali sono essenziali per il legame alla stabilità enzimatica, e che sono fondamentali per il legame e l'attività degli enzimi. I risultati del NREL hanno rivelato che, a seconda del tipo e del luogo in cui è fissato, la glicosilazione è importante per rafforzare il legame di Cel7A alla cellulosa, proteggendo l'enzima contro le proteasi che scompongono la proteina, e rafforzando la stabilità termica dell'enzima, che consente all'enzima di continuare a lavorare a temperature che si avrebbero in un processo di conversione industriale della biomassa.