观察将植物纤维转化为单糖的酶
这部作品改编自 Elizabeth Boatman 和 Emily C. Dooley的文章。
劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab)、劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 和加州大学戴维斯分校的研究为如何获取植物中锁存的糖来生产无石油燃料、化学品和药物提供了新的线索。
利用微生物将草、杂草、木材和其他植物残留物转化为可持续产品将是实现碳中和的关键，甚至有助于消除药物短缺。但纤维素是构成大部分草本和木本植物体的坚韧组织，很难分解成复合糖，而微生物需要复合糖来构建其他分子。只有进化出专门酶的生物体，或那些拥有这些生物体微生物组的生物体，才能从富含纤维素的植物物质中获取糖。
科学家们正在研究这些酶的工作原理，以便开发出更有效的方法将植物废物转化为甜味成分。
项目联合负责人、加州大学戴维斯分校生物和农业工程教授 Tina Jeoh 表示：“我们希望利用植物残留物，但那里有很多植物废物。” “这些糖是建立生物经济的关键，该生物经济建立在循环可再生碳的基础上，用于生物燃料、生物化学和生物材料替代化石燃料的版本。”
Jeoh 和她的同事使用了伯克利同步加速器红外结构生物学 (BSISB) 成像项目开发的技术。该技术结合了新型微流体装置和红外光谱来研究纤维素降解酶如何实时发挥作用 。他们的工作最近发表在《绿色化学》杂志上。
纤维素由许多葡萄糖分子组成，每个葡萄糖分子通过单个共价键连接在一起。葡萄糖的长链扭在一起形成复杂的绳状结构，称为原纤维，由于紧密组织的葡萄糖之间存在许多氢键，原纤维保持在这种结构中。科学家们推测，这些氢键是纤维素切割酶如此缓慢的原因——它们充当了阻碍共价键进入的障碍。
为了最终准确地了解这些反应过程中发生的情况，伯克利实验室的一对研究人员设计了一个实验系统，可以提供有关酶工作时纤维素的原子结构如何变化的信息。该系统由一个小型盘状装置组成，其中装有微量含有来自绿藻的纤维素的液体和微量来自真菌的酶。该装置将两种流体移动到一起，从而在伯克利实验室的高级光源(ALS)产生的强大红外光束的路径上开始反应。然后，设备附近的探测器会测量当暴露在光束下时，不同时间间隔的组合流体如何吸收光。光谱特征的变化将表明分子中化学键或键环境的变化。
这种方法是一种使用傅里叶变换红外光谱显微镜的操作光谱方法，其结果表明原纤维中的氢键确实充当了酶的障碍。
“到目前为止，纤维素的酶水解研究是一个具有挑战性的生化过程，部分原因是研究人员在纤维素解聚过程中仔细控制和观察样品环境的能力有限，”Hoi-Ying Holman 说道。实验室生物科学领域的高级科学家和 BSISB 主任。
Holman 与 Jeoh 共同领导了该项目，并与当时的 BSISB 博士后 Wujun Zhu 一起设计了这个实验系统。她说：“这项技术是 BSISB 工作人员多年研发工作的成果，旨在创建使用红外光谱显微镜研究反应的系统。”
Holman 表示，由于 ALS 红外光束具有出色的亮度，该团队的新方法克服了过去的限制，可以对样品进行精确、实时的快照。其次，流体容纳装置是部分打开的，而不是密封关闭的，从而能够按需获取样品，同时维持酶反应和数据收集的必要条件。
“这些结果是该技术的关键概念验证，有可能实现新一代的科学发现——特别是对于希望研究和研究生物系统的物理和化学特性的研究人员来说。他们的本地环境是实时的，”霍尔曼说。
劳伦斯利国家实验室的科学家计划利用该方法研究土壤、动植物组织中的生物分子，特别是那些具有生物安全应用的生物分子。与此同时，Jeoh 和她在加州大学戴维斯分校的团队计划探索帮助酶更快地突破氢键的技术，以提高可持续生物制造的效率并降低成本。
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