纤维素有助于赋予植物细胞壁刚性结构，如果研究人员能够加快生产过程，纤维素有望成为生物燃料的可再生原材料。与玉米等其他生物燃料材料的分解相比，纤维素的分解速度缓慢且效率低下，但可以避免对使用食物来源的担忧，同时利用丰富的植物材料，否则这些植物材料可能会被浪费。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的新研究揭示了几个分子障碍如何减缓这一过程。

该团队的最新研究发表在《美国国家科学院院刊》上，描述了纤维二糖(纤维素解构过程中产生的纤维素的双糖片段)可能堵塞管道并干扰随后的纤维素分解的分子过程。。

生物燃料的生产依赖于淀粉或纤维素等化合物分解成葡萄糖，然后葡萄糖可以有效地发酵成乙醇，用作燃料或转化成其他有用的材料。研究人员表示，当今市场上主要的生物燃料选择是由玉米产生的，部分原因是玉米的淀粉很容易分解。

宾夕法尼亚州立大学埃伯利学院生物学教授查尔斯·安德森说：“使用玉米作为生物燃料来源存在一些担忧，包括与全球粮食供应的竞争以及生产玉米乙醇时产生的大量温室气体。”科学和论文的作者。

“一个有前途的替代方案是从植物的非食用部分(如玉米秆)、其他植物废物(如林业残留物)以及可以在边际土地上种植的潜在专用作物中分解纤维素。但阻碍这一目标的主要因素之一是第二代生物燃料在经济上具有竞争力的一个缺点是，目前分解纤维素的过程缓慢且低效。”

“我们一直在使用一种相对较新的成像技术来探索减缓这一过程的分子机制。”

纤维素由葡萄糖链组成，通过氢键结合在一起形成晶体结构。科学家使用源自真菌或细菌的纤维素酶来分解植物材料并从纤维素中提取葡萄糖。但是，研究人员表示，纤维素的晶体结构与其他称为木聚糖和木质素的化合物(也存在于细胞壁中)相结合，为纤维素的分解带来了额外的挑战。然而，传统技术无法揭示这些减速的具体分子机制。

为了探索这些不清楚的机制，研究人员用荧光标记对单个纤维素酶进行化学标记。然后，他们使用宾夕法尼亚州立大学的SCATTIRSTORM显微镜(该团队为此目的而设计和制造)来追踪分子分解过程的每个步骤，并使用计算处理和生化建模来解释生成的视频。

宾夕法尼亚大学生物医学工程教授威尔·汉考克(WillHancock)说：“传统方法会在更大范围内观察分解过程，人为地操纵酶的位置或仅捕获运动中的分子，这意味着你可能会错过一些自然发生的过程。”州立工程学院和论文的作者。“使用SCATTIRSTORM显微镜，我们能够观察单个纤维素酶的作用，以真正了解是什么减缓了这一过程，并产生了如何提高效率的新想法。”

研究小组发现了有关Cel7A纤维素酶(金色)在纤维素降解产物纤维二糖分解纤维素(绿色)时如何在“前门”(1)和“后门”(2)受到抑制的新细节。Cel7A催化通道，以及植物细胞壁的另外两种成分：木质素(棕色)和木聚糖(橙色)，它们与纤维素相互作用。这项研究有望揭示有效解构纤维素以生产可持续生物能源和生物材料的新策略。图片来源：NeryaZexer/宾夕法尼亚州立大学

研究人员专门研究了一种名为Cel7A的真菌纤维素酶的作用。作为分解过程的一部分，Cel7A将纤维素送入一种分子隧道，在那里纤维素被切碎。

“Cel7A将葡萄糖链移动到隧道的‘前门’，链被断裂，产品以某种管道的‘后门’从‘后门’出来，”中国科学院生物医学工程助理研究教授农大观说。宾夕法尼亚州立大学工程学院和该论文的第一作者。

“我们不确定酶如何将葡萄糖链连接到隧道中，或者内部到底发生了什么，但我们从之前的研究中知道，从后门出来的产品纤维二糖可能会干扰后续纤维素的加工现在，我们更多地了解它是如何干扰的。”

在隧道内，Cel7A将具有重复葡萄糖单元的纤维素切碎成双糖纤维二糖片段。研究人员发现，溶液中的纤维二糖可以与隧道的“后门”结合，从而减缓后续纤维二糖分子的退出，因为它基本上挡住了通道。此外，他们发现它可以与前门附近的Cel7A结合，从而防止酶与其他纤维素结合。

汉考克说：“由于纤维二糖与纤维素非常相似，因此小碎片进入隧道可能并不奇怪。”“现在我们更好地了解了纤维二糖到底是如何把事情搞砸的，我们可以探索新的方法来微调这个过程。例如，我们可以改变隧道的前门或后门，或者改变Cel7A酶的各个方面在过去的二十年里，人们在设计更高效的纤维素酶方面做了很多工作，这是一种非常有效的方法，更好地了解限制纤维素降解的分子机制将有助于我们。指导这项努力。”

这项研究建立在研究团队最近的工作基础上，旨在了解降解过程的其他障碍(木聚糖和木质素)，他们最近在《RSC生物燃料和生物产品的可持续发展和生物技术》上发表了这项研究。

“我们发现木聚糖和木质素以不同的方式干扰纤维素的分解，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学院生物学博士后研究员、RSC可持续发展论文的主要作者NeryaZexer说。“木聚糖包裹着纤维素，减少了可以与纤维素结合并移动纤维素的酶的比例。木质素抑制了酶与纤维素结合的能力及其移动，从而降低了酶的速度和距离。”

尽管存在从纤维素中去除木聚糖和木质素等成分的策略，但研究人员表示去除纤维二糖更加困难。一种方法使用第二种酶来裂解纤维二糖，但它增加了系统的额外成本和复杂性。

安德森说：“每加仑生物乙醇的生产成本大约有50美分专门用于酶，因此最大限度地降低这一成本将有助于使植物废物中的生物乙醇与化石燃料或玉米乙醇相比更具竞争力。”“我们将继续研究如何设计酶，并探索酶如何协同工作，以使这一过程尽可能低成本和高效。”

宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括扎卡里·哈维兰(ZacharyHaviland)，他是研究时主修生物医学工程的本科生;莎拉·普法夫(SarahPfaff)，从事这项研究时的生物学研究生;丹尼尔·科斯格罗夫(DanielCosgrove)，埃伯利家族生物学主席;MingTien，生物化学和分子生物学名誉教授;和AlecParadiso，生物技术专业的本科生。

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