新的基于PALM的技术将有助于降低生物燃料生产成本

使用称为PALM的超高精度可见光显微技术,伯克利实验室的科学家发现了一种提高生产燃料糖产量的方法,这有助于降低生产成本催化剂可以启动几乎所有现代工业制造工艺,但催化活性对固体表面的了解知之甚少对于用于从纤维素生物质中释放可发酵糖以生产先进生物燃料的纤维素酶尤其如此现在,劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员通过能源生物科学研究所(EBI)的支持)确实揭示了纤维素酶催化的新亮点使用称为PALM的超高精度可见光显微技术 - 用于光活化定位显微镜 - 研究人员已经找到了一种方法来改善酶鸡尾酒的集体催化活性,从而提高糖的产量用于制造燃料增加糖从纤维素生物质中提取产量以帮助降低生物燃料生产成本对于这些燃料的广泛商业应用至关重要“将纤维素生物质酶促分解成可发酵糖一直是生物燃料的致命弱点,这是一个关键的经济瓶颈,”化学工程师哈维说

Blanch,这项研究的领导者之一“我们的研究提供了对多种纤维素酶如何通过协同工作攻击固体纤维素的新认识,这种行为被称为酶协同作用,并解释了为什么某些纤维素酶混合物比每种工作更好地协同工作单独“PALM - 用于光激活定位显微镜 - 使研究人员能够量化酶在异质表面中与纤维素表面结合的方式和位置,例如植物细胞壁中的那些,Blanch是生物燃料研究的长期领导者,三篇相应的论文作者在“自然 - 化学生物学”杂志上发表了这项研究呃标题为“单分子分析显示纤维素酶协同作用的形态学目标”其他相应的作者是Jan Liphardt和Douglas Clark这三个人与伯克利实验室和加州大学伯克利分校联合任命从纤维素糖中合成糖草,其他非粮食作物和农业废弃物的生物量,先进的生物燃料代表了一种可持续的,无污染的运输燃料来源,也将产生国内就业和收入国家研究委员会最近的一份报告强调了对先进生物燃料的需求,如果美国将在未来几十年内大幅减少化石燃料的使用化石燃料是每年向大气中释放近90亿公吨过量碳的原因

与玉米和其他谷物中的简单淀粉基葡萄糖不同,纤维素生物质中的糖是复杂的多糖,必须从坚韧的聚合物中解脱出来称为木质素,然后分解成可发酵的葡萄糖,这个过程称为糖化因为单独的纤维素酶优先与基于不同结构基序的纤维素结构相互作用,所以用纤维素酶的混合物进行糖化 - 称为酶混合物迄今为止这些纤维素的效率

- 葡萄糖转化受到限制,部分原因是探测和研究纤维素酶与纤维素之间相互作用的能力有限“纤维素酶结合的纤维素结构一直被归类为结晶或无定形但这些类别可能更具反射性成像方法的局限性比纤维素的基本结构组织要好,“自然化学生物学论文的第一作者,布兰奇和克拉克研究小组的成员杰罗姆·福克斯说

”以前,不可能密集地解析单个蛋白质

标记异构表面,例如植物细胞壁中的那些表面,并确定单个酶分子结合的特定位置“进入PALM,这是一种技术,其中目标蛋白质被标记为在弱紫外线激活时发荧光的标签通过保持强度紫外线光线足够低,研究人员可以对单个蛋白质进行光活化,使其成像并确定其位置 “我们是第一个使用PALM来研究酶活性和底物异质性相互作用的人,”PALM技术专家Liphardt说道,“这使我们能够量化酶与纤维素结合的方式和位置”使用棉花 - a定义明确的纤维素材料 - 作为他们的模型系统,研究人员将PALM成像应用于他们设计的数学分析他们的结果表明,纤维素酶对纤维素结构具有特殊性,具有许多不同的组织水平,从高度有序到高度有序他们还开发了一个指标,表明设计用于结合相似但不相同的纤维素结构组织的纤维素酶组合可以产生有价值的协同活性“我们发现纤维素酶对特定纤维素组织水平的特异性影响其能力与不同的其他纤维素酶一起催化纤维素水解特殊性,“克拉克说”特别是,在类似但不相同的组织中结合的纤维素酶具有协同活性,这是无法用更经典的结晶或无定形纤维素分类系统预测的“新的基于PALM的技术应该允许酶混合物与特定生物质基质(如草或木材)的结构组织最佳匹配,从而可以利用酶协同作用的所有潜在途径

这将提高糖化效率,从而有助于降低生物燃料生产成本

具有超越生物燃料的应用“我们的技术使我们更加全面地了解酶如何在固体表面上发挥作用,”Blanch说:“通过这种技术,我们应该能够分辨出任何酶与固体材料的结合位置,这可以帮助我们其他纤维素材料的纤维素酶设计“除了Blanch,Liphardt,Clark和Fox,其他该论文的共同作者“单分子分析显示纤维素酶协同作用的形态学目标”是Phillip Jess,Rakesh Jambusaria和Genny Moo EBI,它为这项研究提供资金,是BP,资助机构之间的合作伙伴关系,加州大学伯克利分校,伯克利实验室和伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校出版物:Jerome M Fox等,“单分子分析显示纤维素酶协同作用的形态学目标”,Nature Chemical Biology(2013); doi:101038 / nchembio1227来源:Lynn Yarris,劳伦斯伯克利国家实验室图片:劳伦斯伯克利国家实验室

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