賦予紙張，竹子和木框架建筑物 - 木質(zhì)素和纖維素 - 的強度的分子長期阻礙了生物燃料研究人員鎖定了一半以上的植物能量產(chǎn)生的糖。萊斯大學(xué)的科學(xué)家，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的大湖生物能源研究中心和加利福尼亞州埃默里維爾的聯(lián)合生物能源研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種可以指向未來生物燃料過程的研究，他們發(fā)現(xiàn)了兩種細(xì)菌酶以團隊的形式分解木質(zhì)素。

“最終，我們希望使用酶發(fā)酵 - 釀酒商和釀酒師幾個世紀(jì)以來一直使用的過程 - 將所有的糖從植物轉(zhuǎn)化為乙醇和其他燃料，”萊斯的喬治菲利普斯說，該研究的合著者生物化學(xué)雜志。“最大的目標(biāo)是纖維素，它是木材，草莖和玉米秸稈的主要成分。纖維素基本上是糖，但它緊密地包裹在一種幾乎不可消化的結(jié)晶化合物中。有一些真菌和細(xì)菌已經(jīng)開發(fā)出酶把它拆開，但這是一個非常緩慢的過程，這就是為什么死樹可能需要數(shù)年才能分解。“

木質(zhì)素是植物纖維的另一個主要成分，占生物量中碳的三分之一，這使得任何想要食用纖維素的微生物或任何希望將其轉(zhuǎn)化為生物燃料的科學(xué)家都存在問題。木質(zhì)素具有膠狀稠度，可以涂覆和保護纖維素。

“纖維素是堅韌的，但有機體甚至無法通過木質(zhì)素咀嚼它，”菲利普斯，萊斯的拉爾夫和多蘿西洛尼生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)教授和化學(xué)教授說。對于工業(yè)而言，分解木質(zhì)素經(jīng)常被證明是比纖維素更難的挑戰(zhàn)。因此，生物燃料和造紙工業(yè)大多將木質(zhì)素作為廢物去除，分離和丟棄。

研究報告的共同作者，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校細(xì)菌學(xué)教授，大湖生物能源研究中心主任蒂莫西多諾霍說：“如果我們能將木質(zhì)素從不良副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為先進生物燃料和其他有利可圖的化學(xué)品的原料，我們就會大大改變了未來生物精煉廠的經(jīng)濟效益。“

該中心是由能源部資助的三個中心之一，旨在實現(xiàn)纖維素生物燃料技術(shù)的轉(zhuǎn)型突破。由Donohue和Phillips領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員著眼于利用自然界已經(jīng)發(fā)展的技術(shù)來分解木質(zhì)素，他們開始研究切割木質(zhì)素內(nèi)特定化學(xué)鍵的細(xì)菌酶。

最初的目標(biāo)是設(shè)計一種能夠完成自然界中幾種酶的新酶。但事實證明這是一項不可能完成的任務(wù)，部分原因是木質(zhì)素分子是不規(guī)則的。它們由數(shù)百個向左或向右扭曲的組件組成，但是扭曲的模式不會重復(fù)，并且一種用于打破左手鍵合的酶不會切割右手鍵。

“制作單一酶就像試圖制作一個專為左手設(shè)計的手套，”該研究的聯(lián)合主要作者，最近獲得博士學(xué)位的Kate Helmich說。畢業(yè)于威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的生物化學(xué)系。“我們的兩只手是相同手指的不同配置，而木質(zhì)素就像許多不同手的鏈條。整個鏈條的降級需要一種酶或手套，它可以附著在左手和右手中。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，Sphingobium細(xì)菌使用兩種酶，即LigE和LigF，作為一個團隊攻擊木質(zhì)素。

菲利普斯說：“關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是我們現(xiàn)在明白了左手版本和右手版本是如何被打破的。” “這不是通過一種超級酶，而是通過團隊合作，你有一個左邊一個，一個右邊。“直到Donohue和他的團隊制造了左手和右手的化合物，然后用純化的酶測定它們時，細(xì)菌是如何做到的還不清楚。這些實驗證明，一個在左邊工作，一個在右邊工作。 “

Helmich和Phillips使用X射線晶體學(xué)來分析酶的結(jié)構(gòu)，并展示每個人如何完成其??專業(yè)任務(wù)。

2013年從威斯康星大學(xué)麥迪遜分校轉(zhuǎn)到賴斯的菲利普斯表示，該研究表明，生物燃料加工商需要一種專門的酶混合物來將木質(zhì)素分解成可發(fā)酵的成分。“現(xiàn)在我們知道，這樣的雞尾酒需要包括像LigE和LigF這樣的東西才能讓木質(zhì)素的雙手被打開，”他說。