研究人员揭示了分子障碍如何减缓用于生物燃料的纤维素的分解

纤维素有助于使植物细胞壁具有刚性结构，如果研究人员能够加快生产过程，它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，分解纤维素速度慢且效率低，但可以避免使用食物来源的问题，同时利用丰富的植物材料，否则这些材料可能会被浪费。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究揭示了几个分子障碍是如何减缓这一过程的

该团队发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究描述了纤维二糖的分子过程；纤维素分解过程中产生的纤维素的两糖片段&mdash；会堵塞管道并干扰随后的纤维素分解

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为其他有用材料。研究人员表示，目前市场上主要的生物燃料选择是由玉米制成的，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科学学院生物学教授、论文作者Charles Anderson表示：“使用玉米作为生物燃料来源有几个问题，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。”

“一个有前景的替代方案是从植物的非食用部分（如玉米秸秆）、其他植物废物（如林业残留物）和可能在边缘土地上种植的专用作物中分解纤维素。但阻碍所谓的第二代生物燃料在经济上具有竞争力的主要因素之一是，目前分解纤维素的过程缓慢且低效。”

。科学家们使用来自真菌或细菌的纤维素酶来分解植物物质，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配对；也存在于细胞壁中&mdash；为纤维素分解提供了额外的挑战。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物对单个纤维素酶进行了化学标记。然后，他们使用宾夕法尼亚州立大学的SCATTISTORM显微镜，该团队正是为此目的设计和建造的，通过分解过程的每一步来追踪分子，并使用计算处理和生物化学建模来解释由此产生的视频

宾夕法尼亚州立工程学院生物医学工程教授、论文作者Will Hancock说：“传统方法在更大范围内观察分解过程，人为地操纵酶的位置，或者只捕获运动中的分子，这意味着你可能会错过一些自然发生的过程。”。“使用SCATTISTORM显微镜，我们能够观察到单个纤维素酶的作用，从而真正了解是什么减缓了这一过程，并为如何提高其效率产生了新的想法。”

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

宾夕法尼亚州立工程学院生物医学工程助理研究教授、论文第一作者大观农说：“Cel7A将葡萄糖链移动到隧道的‘前门’，链被裂解，产品以某种管道的形式从‘后门’出来。”

“我们不确定这种酶是如何将葡萄糖链穿过隧道的，也不确定里面到底发生了什么，但我们从之前的研究中知道，从后门出来的产品纤维二糖会干扰后续纤维素分子的加工。现在，我们对它是如何干扰有了更多的了解。”

在隧道内，Cel7A分解纤维素&mdash；其具有葡萄糖的重复单位&mdash；转化为两个糖纤维二糖片段。研究人员发现，溶液中的纤维二糖可以与隧道的“后门”结合，这可以减缓后续纤维二糖分子的离开，因为它基本上挡住了去路。此外，他们发现它可以在前门附近与Cel7A结合，防止酶与额外的纤维素结合

汉考克说：“因为纤维二糖与纤维素非常相似，所以这些小碎片会进入隧道也就不足为奇了。”。“现在我们对纤维二糖究竟是如何搅乱事情有了更好的了解，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酶的某些方面，以更有效地防止这种抑制。在过去的二十年里，有很多工作可以设计出更高效的纤维素酶，这是一种非常强大的方法。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工作。”

这项研究建立在研究团队最近的工作基础上，以了解降解过程中的其他障碍；木聚糖和木质素&mdash；他们最近发表在RSC生物燃料和生物产品的可持续性和生物技术上

“我们发现木聚糖和木质素在dif中起作用