Nye banebrytende forskningsresultater kan gi mer effektiv bioraffinering

  • Enzymer
    Foto
    NorZymeD/Gustav Vaaje-Kolstad, NMBU

Nye forskningsresultater kan bidra til å effektivisere og redusere kostnaden ved bioraffinering.

Nye banebrytende forskningsresultater kan gi mer effektiv bioraffinering

I to nye studier, publisert i de vitenskapelige tidsskriftene  Science og PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America), beskrives nye forskningsgjennombrudd innen enzymforskning som på sikt kan gi oss mer effektiv bioraffinering.

Enzymoppfinnelse ved NMBU sentral

Nedbryting av plantemateriale har blitt vesentlig mer effektiv med oppdagelsen av LPMOs (Lytic Polysaccharide MonoOxygenases). Oppdagelsen som ble gjort ved NMBU i 2010 har revolusjonert vår forståelse av enzymatisk nedbryting av plantebiomasse.

Siden 2010 vet vi at oksidative prosesser bidrar kraftig til nedbryting av biomasse, for eksempel cellulose, i naturen. Funnet av disse prosessene, som LPMOene katalyserer, er ikke bare av stor vitenskapelig interesse, det har også fått store teknologiske konsekvenser.

I dag er produksjon av annen generasjons biodrivstoff, altså biodrivstoff fra ikke spisbar biomasse slik som lignocellulose, lønnsom - vel å merke hvis oljeprisen ikke blir for lav. Dette skyldes først og fremst at enzympreparatene man bruker i dag for å lage sukker ut av biomassen er blitt mye mer effektive etter at man har begynt å bruke LPMOs.

Forekomsten av LPMOs er størst i biomasse-nedbrytende sopp. Noen sopparter kan produsere mer enn 20 forskjellige LPMOs, som trolig hjelper dem til å bryte ned et bredt utvalg av polysakkarider (cellulose + forskjellige hemicelluloser) i biomasse, spesielt ikke-spiselige veldig robust biomasse som halm, trevirke osv.

For å gjøre dette trenger LPMOs oksygen (som betyr at enzymene kun virker under aerobe betingelser) og en elektrondonor. Kilden til elektroner er blitt mye diskutert, og er også av stor industriell betydning.

Ny innsikt i soppens biologi

I en ny, Science-publisert, studie av Kracher et al, hvor NMBUs professor Vincent Eijsink er en av bidragsyterne, har forskerne undersøkt hvordan elektroner leveres til LPMOs i naturen - særlig i sopp.

Forskerne fant at sopp besitter flere elektron-genererende mekanismer som sannsynligvis er relevante i forskjellige faser av konverteringsprosessen for biomasse. På denne måte kan sopp bruke biomassen optimalt.

Studiet av Kracher et al gir dermed ny innsikt i soppens biologi, med potensielt store implikasjoner for alt fra industriell biomassekonvertering til å forstå hvordan sykdomsfremkallende sopp angriper planter eller trær (soppangrep avhenger ofte av nedbrytning av robuste polysakkarider som cellulose).

Resultatene gir oss informasjon som på sikt kan brukes til å styre og optimalisere strømmen av elektroner til LPMOs, noe som er viktig for å optimalisere LPMO-aktivitet i industrielle biomasse-omdannelsesprosesser.

I en studie fra Københavns Universitet, publisert i Nature Communications i april i år, blir det vist hvordan en kombinasjon av lys og pigmenter kan brukes til å gjøre LPMOs mye mer aktive og dermed gi mer effektiv nedbryting av biomasse.

- Hovedfunnet i artikkelen fra Københavns universitet er solid dokumentert, og funnet vil ha stor betydning i videre utvikling av feltet framover. Vi har store forventninger når det gjelder å kombinere våre egne funn med disse, og vi håper at dette kan gjøre industriell nedbryting av biomasse betydelig mer effektiv. Vi forsker intenst videre på dette, sier Eijsink.

Et annet viktig nytt funn for å styre LPMO-aktivitet

En studie av Courtade et al. publisert i PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) denne uken tar også opp sentrale aspekter av hvordan elektroner blir overført til LPMOs.

Fra NMBU har professor Vincent Eijsink, førsteamanuensis Gustav Vaaje- Kolstad, forsker Åsmund Røhr  og professor Morten Sørlie bidratt til studiet, mens studiet har blitt ledet av professor Finn Aachmann ved NTNU.

Ved å bruke NMR-analyse av LPMO-struktur og dynamikk fant forskerne at elektroner overføres direkte fra et enzym kalt cellobiose dehydrogenase til et kobberion i enzymets senter.

Med andre ord blir ikke elektroner transportert gjennom proteinet som tidligere antatt, men blir direkte levert til kobberet.

NMR-studiet av Courtade et al har dessuten gitt innsikt i hvordan en LPMO binder sitt substrat, altså cellulose og andre polysakkarider,  og dette gir et grunnlag for på sikt å utvikle nye LPMO varianter som er mer effektive på visse substrater.

- Til sammen gir disse to studiene oss massevis av nye innsikter som vil gjøre oss i stand til å utnytte LPMOenes unike kraft på en bedre måte, og som også vil hjelpe oss til å utvikle bedre LPMOer som er spesialtilpasset industrielle forhold, sier Eijsink.

- Våre konkurrenter sitter ikke stille og har i det siste også publisert massevis med interessante resultater. Dette gjør meg optimistisk med hensyn på hva vi kan oppnå innen bioraffinering, legger han til.

Vitenskapelig publikasjoner:

Extracellular electron transfer systems fuel cellulose oxidative degradation, by Kracher D, Scheiblbrandner  S, Felice AK, Breslmayr E, Preims M, Ludwicka K, Haltrich D, Eijsink VGH, Ludwig R. Science, published online on April 28, 2016. pii: aaf3165.

Interactions of a fungal lytic polysaccharide monooxygenase with β-glucan substrates and cellobiose dehydrogenase  by Courtade  G,  Wimmer R, Røhr ÅK, Preims M, Felice AKG,  Dimarogona M, Vaaje-Kolstad G, Sørlie M, Sandgren M, Ludwig R, Eijsink VGH, Aachmann FL;  Proc Natl Acad Sci U S A.

Les også:

Published 4. mai 2016 - 10:44 - Updated 31. oktober 2016 - 9:25