Natur am besten besser zur Erzeugung von Biokraftstoffen

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Wenn ein Baum im Wald umfällt und es keine Enzyme gibt zu verdauen, brechen es?

Es ist eine Frage, die wichtige Auswirkungen auf die Branche der erneuerbaren Energien hat. Ingenieure studieren Methoden um Nonfood-Pflanzenmaterial in Kraftstoff umzuwandeln. Denke, Luzerne Stiele oder Holz-Chips (die Energie, die in einem Molekül Menschen nicht verdauen Zellulose genannt), im Gegensatz zu den essbaren Maiskörner, die bei der Herstellung von Ethanol für Biokraftstoffe verwendet werden.

"Cellulose in der Biosphäre jahrelang dauern kann", sagte Gregg Beckham, ein Wissenschaftler in der National-Bioenergie-Center auf dem US-Department of Energy National Renewable Energy Laboratory. "Es ist wirklich hart, und wir wollen wissen, warum auf molekularer Ebene."

Trotz der Stärke des Werkes Zellwände aus diesem harten Molekül Zellulose, über Äonen, Pilze und Bakterien entwickelt haben Enzyme zur Umwandlung von reichlich Zellulose Pflanzenmaterial in Zucker als Energiequelle zu nutzen, um Leben zu erhalten.

Abbau im Labor

Leider ist diese bestimmte Enzyme nicht schnell genug zum Abbau von Zellulose in einem Tempo (und Preis), die mit fossilen Kraftstoffen... funktionieren noch. Also, machte rechnerische Wissenschaftler am National Renewable Energy Laboratory zu versuchen zu verstehen und verbesserte, "Designer" Enzyme zur Erzeugung von Biokraftstoffen Beschleunigung und Kostensenkung bei der Biomasse Brennstoff, die Weltbevölkerung zu dienen.

"Es ist ein Goldilocks-Problem", sagte Beckham. "Die Enzyme haben"gerade richtig"sein, und wir versuchen herauszufinden, was"gerade richtig"ist, warum, und wie man Mutationen, die Enzyme am effizientesten zu machen."

Supercomputed Proteine

In einer Reihe von verknüpften Projekte verwendeten die Forscher den National Science Foundation unterstützt "Ranger" Supercomputer an der Texas Advanced Computing Center und Energy Laboratory Red Mesa-System die Welt von Enzymen zu simulieren. Sie erforscht Enzyme aus der ungeheuer Pflanze verdauen Pilz, Trichoderma Reesei und die Zellulose fressende Bakterien Clostridium Thermocellum. Beide dieser Organismen sind effektiv bei der Umwandlung von Biomasse in Energie, obwohl sie unterschiedliche Strategien verwenden.

"Natur geschickt konzipierte Maschinen für einzellige Organismen zu suchen Zellulose und absondern von großen Enzymkomplexe, die die Zellen in der Nähe von Biomasse zu halten, während es die Enzyme abgebaut", sagte Beckham.

Das Bakterium bildet Gerüste für die Enzyme, die zusammenarbeiten, um die Pflanze auseinander zu brechen. Der Pilz Enzyme, auf der anderen Seite sind nicht gebunden an ein großer Komplex, aber eigenständig handeln.

Es ist nicht klar, wie das Enzym Form, Gerüste, so die Forscher ein Rechenmodell der aktiven Moleküle erzeugen und in Bewegung in einer virtuellen Umgebung gesetzt. Entgegen den Erwartungen blieb die größeren, langsamere Enzyme in der Nähe von dem Gerüst länger, so dass sie immer häufiger auf den Rahmen zu binden; die kleineren bewegte sich schneller und mehr frei durch die Lösung, aber weniger oft gebunden.

Im Februar 2011 wurden die Ergebnisse der Studie, unter der Leitung von Yannick Bomble und Mike Crowley, National Renewable Energy Laboratory Forscher im Journal of Biological Chemistry gemeldet. Die Erkenntnisse werden bei der Schaffung von Designer Enzyme eingesetzt, um Biomasse schneller, effizienter und kostengünstiger.

Unerforschte Enzymfunktion

Untersuchten die Wissenschaftler auch Teile des Enzyms namens Kohlenhydrat verbindliche Molekül – ein klebriger "Fuß", die hilft, die Enzyme finden und führen Sie die Zellulose in ihrer aktiven Seite – und der Linker-Region, die den Fuß mit den Hauptteil des Enzyms verbindet. Die Region Kohlenhydrat verbindliche Molekül und Linker galten lange als Enzymfunktion eine untergeordnete Rolle spielen; ohne sie noch kann nicht das Enzym Cellulose in Glukose effektiv umgewandelt. Die Forscher gefragt, warum das heißt.

Mit der Ranger-Supercomputer, die Forscher mehrere wichtige Entdeckungen gemacht. Zunächst fanden sie, dass die Zellulose Oberfläche Energie Brunnen, die ein Nanometer auseinander, eine perfekte Passform für das Modul verbindlich festgelegt werden. Sie fanden auch, dass die Linker-Region, zuvor geglaubt, um steife und flexible Regionen enthalten verhält sich mehr wie ein hochflexibles Tether. Diese Erkenntnisse hätte schwierig, experimentell zu bestimmen, aber jetzt die Hypothese aufgestellt und mit fortgeschrittenen EDV Simulationen gesichert, können sie im Labor getestet werden.

"Es ist ein sehr chaotisch Problem für die Experimentatoren", sagte Crowley, ein leitender Wissenschaftler bei der Energy Laboratory und Beckhams Kollegen. "Wir verwenden rationales Design um zu verstehen, wie das Enzym funktioniert, und dann Vorhersagen der besten Ort, um etwas zu ändern und testen Sie es."

Die Forschung befasst sich die Enzymaktivität Engpässe, die erneuerbaren Energie aus Zellulose mit Biomasse aus wird mit fossilen Kraftstoffen zu verhindern. "Wenn wir Industrie verstehen und verbessern diese Prozesse für erneuerbaren Brennstoff-Produktion helfen können, wir in der Lage, einen erheblichen Anteil der Nutzung fossiler Brennstoffe langfristig ausgeglichen werden", sagte Beckham.

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter den Kulissen Archiv.