Mire las enzimas que convierten las fibras vegetales en azúcares simples

Este trabajo es una adaptación de artículos de Elizabeth Boatman y Emily S. Dooley

La investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y UC Davis está arrojando nueva luz sobre cómo acceder a los azúcares encerrados en las plantas para producir combustibles, productos químicos y medicamentos sin petróleo.

El uso de microbios para convertir pastos, malezas, madera y otros desechos vegetales en productos sustentables será clave para lograr la neutralidad de carbono e incluso ayudar a poner fin a la escasez de medicamentos. Pero la celulosa, el tejido resistente que constituye una gran parte de los pastos y las plantas leñosas, es descompuesta por los microbios en los azúcares componentes necesarios para construir otras moléculas. Sólo los organismos que han desarrollado enzimas especiales u organismos con microbiomas de esos organismos pueden extraer azúcar de la materia vegetal rica en celulosa.

Los científicos están estudiando cómo funcionan estas enzimas para poder desarrollar formas más eficientes de convertir los desechos vegetales en ingredientes dulces.

"Queremos utilizar residuos de cultivos, y hay muchos residuos de cultivos por ahí", dijo la codirectora del proyecto Tina Joh, profesora de ingeniería biológica y agrícola en la Universidad de Davis. "Estos azúcares son clave para construir una bioeconomía basada en un ciclo de carbono renovable para biocombustibles, bioquímicos y biomateriales alternativos a las opciones basadas en combustibles fósiles".

Joh y sus colegas utilizaron una técnica desarrollada en el programa de imágenes de Biología Estructural Infrarroja Sincrotrón de Berkeley (BSISB). El método combina un nuevo dispositivo de microfluidos y espectroscopía infrarroja para estudiar cómo funciona una enzima que degrada la celulosa en tiempo real. tenian un trabajo publicado recientemente en la revista Química verde.

Un dispositivo para atrapar líquidos desarrollado por Holman y Zhao expuesto a luz infrarroja para estudiar cambios en los enlaces atómicos en un modelo molecular. (Crédito: Hoi-Ying Holman/Berkeley Lab)

La celulosa está formada por muchas moléculas de glucosa, cada una de ellas unida por un único enlace covalente. Las largas cadenas de glucosa están retorcidas en estructuras complejas similares a cuerdas llamadas fibrillas, que permanecen en esa formación gracias a los numerosos enlaces de hidrógeno entre las glucosas apretadas. Los científicos plantean la hipótesis de que estos enlaces de hidrógeno son la razón por la que las enzimas que descomponen la celulosa son tan lentas: actúan como barreras que impiden que el enlace covalente las alcance.

Para comprender exactamente qué sucede durante estas reacciones, un par de investigadores del Laboratorio de Berkeley crearon un sistema experimental que puede proporcionar información sobre cómo cambia la estructura atómica de la celulosa cuando funciona la enzima. El sistema consta de un pequeño dispositivo en forma de disco que contiene una pequeña cantidad de líquido que contiene celulosa de algas verdes y una pequeña cantidad de enzima de hongos. El dispositivo mueve dos líquidos juntos, permitiendo que la reacción comience en el camino de un potente haz de luz infrarroja generado por la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio Berkeley. Luego, los detectores cercanos al dispositivo miden cómo los líquidos combinados absorben la luz en diferentes intervalos de tiempo cuando se exponen a la radiación. Los cambios en las características espectrales indican cambios en los enlaces químicos o en los entornos de enlace de las moléculas.

El resultado de este método es único. espectroscopia operando Una técnica que utiliza espectromicroscopía infrarroja por transformada de Fourier muestra que los enlaces de hidrógeno en las fibrillas actúan efectivamente como barreras para las enzimas.

"Hasta ahora, la hidrólisis enzimática de la celulosa ha sido un proceso bioquímico difícil de estudiar, en parte debido a las limitaciones en la capacidad de los investigadores para monitorear y controlar cuidadosamente el entorno de la muestra durante la despolimerización de la celulosa", dijo Hoi-Ying Holman. Científico Senior del Área de Biociencias del Laboratorio y Director del BSISB.

Holman, quien codirigió el proyecto con Joh, desarrolló este sistema experimental con Wujun Zhao, un postdoctorado en BSISB en ese momento. Dijo: "Esta tecnología es la culminación de años de investigación realizada por el personal de BSISB para desarrollar sistemas para estudiar reacciones mediante espectromicroscopía infrarroja".

Según Holman, el nuevo enfoque del equipo supera las limitaciones anteriores gracias al brillo excepcional de la luz infrarroja del ALS, que permite obtener imágenes precisas y en tiempo real de la muestra. En segundo lugar, el dispositivo de retención de líquido es semiabierto en lugar de hermético, lo que permite el acceso a la muestra según demanda y al mismo tiempo mantiene las condiciones necesarias para la reacción enzimática y la recopilación de datos.

"Estos resultados proporcionan evidencia clave para una metodología que permitirá una nueva generación de descubrimientos científicos, particularmente para los investigadores que esperan estudiar e interactuar con las propiedades físicas y químicas de los sistemas biológicos en sus entornos nativos y en tiempo real", dijo Holman.

Los científicos de LLNL planean utilizar el método para estudiar biomoléculas en el suelo, tejidos vegetales y animales, particularmente con aplicaciones de bioseguridad. Además, Joh y su equipo de la Universidad de Davis planean explorar formas de ayudar a las enzimas a romper los enlaces de hidrógeno más rápido para mejorar la eficiencia y reducir los costos de la bioproducción sostenible.

Este trabajo fue apoyado por el Programa de Ciencia de Imágenes y Caracterización Biomolecular del Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Investigación Biológica y Ambiental. ALS es el Centro para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

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