TrCel7a es una celulasa: una enzima especial que descompone la celulosa, el polímero natural más abundante del planeta.
La enzima funciona como una astilladora de madera microscópica. Traga hebras de celulosa fuertemente unida y las descompone en azúcares simples. Funciona muy lentamente pero, como un camión que opera a una velocidad muy baja, es extremadamente difícil detenerlo una vezse pone en marcha. También es autopropulsado, impulsado en gran parte por la energía de los enlaces de celulosa que se rompe.
Encontrar formas de hacer que las enzimas como TrCel7a funcionen más rápido y de manera más eficiente podría ser la clave para transformar el etanol hecho de celulosa en una nueva fuente de combustible renovable importante. En los EE. UU. Se desechan cada año aproximadamente 323 millones de toneladas de desechos celulósicossuficiente para proporcionar hasta el 30 por ciento del consumo actual de combustible.
"Hasta ahora, este sistema ha sido una especie de caja negra a nivel molecular. Sabíamos lo que hacían estas enzimas pero no sabíamos cómo funcionaban", dijo Matthew Lang, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Vanderbilt.
Trabajando en el Laboratorio Lang, la estudiante de doctorado Sonia Brady ha abierto esta caja negra en el caso de TrCel7A y miró dentro. Tomando prestada una técnica que los biofísicos usan para estudiar otros motores moleculares, ha medido el comportamiento de la enzima y sus partes constituyentesen detalles sin precedentes. Los resultados del estudio se publicaron el 10 de diciembre de 2015 en la revista en línea Comunicaciones de la naturaleza .
"Medir el comportamiento de una enzima individual y sus componentes es una nueva estrategia en el estudio de la descomposición de la celulosa", dijo Brady. "Esperamos que proporcione conocimiento que otros puedan usar para integrar estrategias biológicas con procesos industriales en procesos nuevos y nuevos".maneras emocionantes "
Durante los últimos ocho años, el gobierno de EE. UU. Ha estado respaldando un importante programa para desarrollar biocombustibles avanzados. Una de las principales áreas de investigación en etanol celulósico ha sido encontrar los microorganismos y enzimas más eficaces y de bajo costo para usar en elproceso. Gran parte de este esfuerzo se ha centrado en encontrar formas de conseguir que los microorganismos productores de celulasa produzcan mayores cantidades de estas enzimas.
Brady y Lang, por otro lado, decidieron estudiar la forma en que funcionan las enzimas de celulasa individuales. Para ello, seleccionaron una celulasa producida por el hongo filamentoso Trichoderma reesei , uno de los microorganismos utilizados comercialmente para descomponer la celulosa. T. reesei produce un cóctel de tres enzimas diferentes que utiliza para este propósito, de las cuales el 60 por ciento en masa es TrCel7A.
Para obtener las primeras mediciones directas de las propiedades mecánicas de las moléculas TrCel7A individuales, los investigadores utilizaron un instrumento llamado pinzas ópticas, que agarran y manipulan objetos extremadamente pequeños con un rayo láser. No funcionan en nada tan pequeño como una enzimaSin embargo, los investigadores tuvieron que unir pequeñas esferas de poliestireno a moléculas individuales imagínese a una persona sujetando la correa de uno de los globos en el Desfile del Día de Acción de Gracias de Macy's.
Una vez que se une dicha esfera y se coloca la enzima en una fibra de celulosa, arrastra la esfera detrás de ella mientras funciona. Esto permitió a los investigadores rastrear sus movimientos invisibles. Igualmente importante, los investigadores podrían agarrar la esfera conlas pinzas ópticas y ejercen fuerza sobre ella ... fuerza que se transfiere a la enzima. Al ayudar y resistir el movimiento de la enzima, los investigadores determinaron cuánta fuerza se necesita para reducir la velocidad de TrCel7A y cuánto se acelera cuando se arrastra..
Los investigadores descubrieron que la enzima es muy lenta. Se arrastra a lo largo de una hebra de celulosa a un promedio de solo 0.25 nanómetros por segundo. Eso es aproximadamente el ancho de 10 átomos de hidrógeno por segundo. Y descubrieron que su movimiento consistía en una alternancia depasos de un nanómetro y tiempos de permanencia de diferentes longitudes.
"No parece que sea muy fácil aumentar la longitud del paso porque parece estar directamente relacionado con la longitud de las unidades de glucosa en la celulosa que se está rompiendo", dijo Lang. "Sin embargo, cuandoaplicamos una fuerza de asistencia que podríamos duplicar a la velocidad de la enzima reduciendo los tiempos de permanencia "
Además, los investigadores descompusieron la enzima en sus partes componentes y aclararon el papel que desempeña cada una de las partes.
TrCel7a tiene tres componentes básicos: un 'dominio catalítico CD' principal, un 'módulo de unión a carbohidratos CBM' mucho más pequeño y un 'dominio enlazador LD' flexible que conecta los dos.
"Llamamos al CBM y LD la bola y la cadena del CD", dijo Lang.
Utilizando el modelo genético de la enzima, los investigadores hicieron versiones del dominio catalítico sin LD y CBM unidos. Descubrieron que una vez que este CD desnudo encontró una hebra de celulosa para masticar, se comportó de manera idéntica a la enzima completa.
"Esto planteó la pregunta de por qué el CD mantiene su bola y cadena", dijo Lang.
La respuesta parece ser que al unirse a la fibra de celulosa, el CBM mantiene el CD en la vecindad inmediata de la fibra para que pueda encontrar cabos sueltos que pueda ingerir con mayor facilidad. Sus estudios muestran que la velocidad a la cual el CD sin suEl proceso de iniciación de bolas y cadenas de celulosa es solo 1/50 del de la enzima completa.
Una de las limitaciones de TrCel7A es que necesita encontrar un extremo roto de una hebra de celulosa para comenzar a funcionar. Esa es la razón T. reesei produce otro tipo de enzima llamada endocelulasa. Esto requiere pequeños trozos de fibras de celulosa, esencialmente creando cabos sueltos que TrCel7A puede comenzar a digerir. Como resultado, la tasa de descomposición de las dos enzimas que trabajan juntas es sustancialmente mayor de lo que pueden logrartrabajando independientemente
Según Lang, el siguiente paso en su investigación es estudiar cómo los conjuntos de estas enzimas trabajan juntos a nivel molecular.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David F Salisbury. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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