Doktorgradsarbeidet til Ignacio Delgado Santamaría ved NMBU viser at protein i ekspansin-superfamilien, som tidlegare vart rekna som ikkje-katalytiske, faktisk kan bryte kjemiske bindingar i plantecelleveggar. Denne kunnskapen kan endre bioteknologiske prosessar for å omforme plantebiomasse til verdifulle produkt.
Avhandlinga hans, Plantecelleveggløyse-mekanismar: funksjonell innsikt og bevis for katalyse i sopp-ekspansinliknande protein, gir ny forståing av korleis sopp påverkar plantecelleveggar og opnar for industrielle bruksområde.
Nedanfor svarar han på spørsmål om forskinga si:
Kvifor er denne forskinga viktig?
Å forstå korleis desse sopp-proteina og enzym verkar, er industrielt viktig fordi plantecelleveggar inneheld verdifulle materiale. Desse kan omformast til produkt som biodrivstoff, bioplast, medisin, lim eller brannhemmarar. Plantar er altså mykje meir enn mat; dei er ei kjelde til mange viktige produkt og kjemikaliar.
Kva var måla med doktorgradsarbeidet ditt?
I forskingsgruppa vår studerer vi protein, små molekyl som er usynlege for det nakne auge, men avgjerande for livet. Under doktorgraden min har vi arbeidd med protein frå sopp – organismar som omfattar soppar, men som er langt meir mangfaldige. I naturen samhandlar sopp med plantar på ulike måtar. Nokre skadar levande plantar, andre lever i partnerskap med dei, og nokre, som eg har fokusert på, lever av dødt plantemateriale. Desse spelar ei nøkkelrolle i karbonresirkulering i skog, slik at det blir tilgjengeleg for plantar og andre organismar igjen.
Sopp bryt ned døde plantar ved hjelp av enzym, som verkar som molekylære sakser eller lim for å kutte og binde saman kjemiske bindingar. For å forstå dette, sjå for deg ei lang kjede: eit enzym kan kløyve og/eller setje saman att ulike ledd i kjeda. Plantematerialet som enzym bryt ned, er hovudsakleg polysakkarid – komplekse sukkerkjeder som dannar plantecelleveggen, det beskyttande laget rundt kvar plantecelle.
Kva er dei viktigaste resultata dine, og kva er den potensielle innverknaden av forskinga di?
Ei spesiell gruppe protein vi studerer, heiter ekspansin. Før vår forsking trudde ein at dei ikkje hadde enzymatisk aktivitet (altså ikkje var ekte enzym). Dei såg ut til å hjelpe med å løyse opp viktige «knutar» i plantecelleveggen, noko som er viktig for effektiv prosessering av plantemateriale. Med kjedemetaforen: ein trudde at ekspansin skilde grupper av kjeder (som om dei var magnetiserte) utan å kutte ledda.
Vi oppdaga at eit ekspansin faktisk kan kutte kjemiske bindingar i ein komponent i plantecelleveggen kalla xylan. Xylan blir mykje brukt i medisinlagring, matemballasje, reinsing av avløpsvatn og blir rekna som eit berekraftig alternativ til plast og aluminiumsfolie. Funna våre er den første dokumentasjonen av enzymatisk aktivitet for denne typen protein – eit lenge etterlengta mål i feltet. Dette kan gjere nedbryting og verdiskaping av plantebiomasse meir effektiv. Men forsøka våre vart gjennomførte i laboratoriet, så det trengst vidare arbeid for å teste kor godt dette fungerer industrielt, med tanke på skalerbarheit og kostnader.
Vi undersøkte òg korleis fleire sopp-ekspansin påverkar plantecelleveggen. Vi fann at eit ekspansin bidreg til å bryte ned cellulose-nettverket i plantecelleveggen – eit polysakkarid med mange bruksområde (papir, tekstil, plastalternativ, isolasjon, trykk eller luftreinsing). Dette peikar mot nye industrielle moglegheiter.
Akkurat som plantar har sopp òg celleveggar som hovudsakleg er laga av polysakkarid, og desse kan vere kjelder til verdifulle produkt og kjemikaliar. Vi studerte korleis sopp-ekspansin påverkar nedbryting av kitin, ein viktig komponent i soppens cellevegg. Vi fann at tre ekspansin forbetra nedbrytinga av kitin ved hjelp av andre enzym. Kitin har mange bruksområde (som sårbehandling, gjødsel, kosmetikk, prebiotika og vaksinar), så dette kan ha stor industriell betydning.
Samla sett kastar avhandlinga lys over ekspansin-feltet og proteina og enzym som er involvert i nedbryting av plante- og soppcelleveggar. Gitt det industrielle potensialet til plantar og sopp, håpar vi at funna våre bidreg til å styre framtidig forsking.
FAKTA:
Ignacio Delgado Santamaría
- Utdanning: Bachelor i bioteknologi og master i bioteknologi og plantebioingeniørfag, Polyteknisk Universitet i Madrid
- Heimstad: Segovia, Spania
- PhD-fakultet: Fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitskap, NMBU
- Finansiering: Novo Nordisk Foundation (Emerging Investigator grant) og Forskingsrådet (NorBioLab)
- Hovudrettleiar: Anikó Várnai
- Medrettleiar: Vincent G.H. Eijsink
- Tittel på avhandling: Plantecelleveggløysande mekanismar: funksjonell innsikt og bevis for katalyse i fungale expansin-liknande protein