3D-struktur av ett glukuronoylesteras från bakterien Opitutus terrae
3D-struktur av ett glukuronoylesteras från bakterien Opitutus terrae. Enzymstrukturen visas i turkos, tillsammans med forskarnas modell av en polysackarid (orange) bunden till ett stort ligninfragment (gult).
  

Kunskap om enzym bäddar för hållbar produktion

​Nu har bakterieenzym som klipper viktiga bindningar i växtbiomassa kartlagts på atomnivå. Denna kunskap ger nya verktyg för hållbar produktion av till exempel bränslen och kemikalier från skogsråvara.
​Biomassa från skogen går att använda för fossilfri produktion av såväl biobränsle som miljövänliga kemikalier eller material av skilda slag. Men råvaran är svår att bryta ner till de enkla sockerarter som behövs för produktionen. Växternas cellväggar är uppbyggda för att vara så motståndskraftiga som möjligt; en förutsättning för överlevnad i naturen.

Ett sätt att bryta ner skogs- eller annan växtråvara är att använda sig av enzymer, som i naturen fungerar som molekylära saxar. Forskare på Chalmers institution för biologi och bioteknik har, i samarbete med Köpenhamns Universitet, tittat närmare på uppbyggnaden av en specifik grupp av enzymer med stor potential.
Johan Larsbrink
–    En faktor som starkt försvårar nedbrytningen av cellväggens kolhydratkedjor till enkla sockerarter är en polymer som kallas lignin, förklarar Johan Larsbrink, forskarassistent på avdelningen för industriell bioteknik.

De långa kolhydratkedjorna klibbar ihop med hjälp av ligninet, ett ämne som fungerar som bindemedel.

–    På vissa ställen i cellväggen är dessutom ligninet och kolhydratkedjorna ihopkopplade med så kallade kovalenta kemiska bindningar, och sitter därmed ihop helt och hållet. Om man lyckas klippa de här bindningarna mellan kolhydrater och lignin blir nedbrytningen betydligt enklare. Hela nätverket i cellväggen försvagas, skulle man kunna säga.

Och det är här enzymer kommer in i bilden. Att använda sig av naturens egna saxar gör produktionskedjan miljövänlig, effektiv och sannolikt billigare.

Den sorts enzymer som kan klippa bindningarna mellan kolhydrater och lignin kallas för glukuronoylesteraser, eller GEs. Tidigare har forskargrupper främst intresserat sig för enzymer från svampar. Forskningen är dock i dagsläget begränsad och kunskapen runt dessa enzymer relativt grund. Johan Larsbrinks grupp har nu tittat på tio GEs från tre olika bakteriearter.

–    Vi valde att fokusera på bakterieenzymer för att de har en mycket större variation än svampenzymer, och dessutom finns i stort sett inga studier på just bakteriella GEs. Vi har karaktäriserat enzymen biokemiskt på modellsubstrat, och också lyckats lösa deras 3D-struktur på atomnivå. Det betyder att vi kan få en extremt detaljerad bild av hur de fungerar. De är ju designade för sitt syfte i naturen, så det finns mycket att lära av detta, säger han.
–    Vi lär oss också om cellväggen genom att titta på enzymerna. Det blir som att lära sig om en hand genom att titta på hur en handske är designad.

Resultaten tyder nu på att dessa GEs interagerar med lignin, vilket inte var riktigt väntat.

–    De flesta enzym som bryter ner kolhydrater är specifika för just dessa relativt väldefinierade strukturer, medan lignin har en mer eller mindre slumpmässig struktur som är svår för enzymerna att hantera, förklarar Johan Larsbrink.
–    Att vi nu sett hur enzymerna kan binda samtidigt till både kolhydrater och lignin är logiskt, men unikt för den här studien.

Forskarna har också testat sina enzymer på rester från majsproduktion. För att göra detta använde de en enzymcocktail utan GEs, och observerade vad som hände när GEs tillsattes. Resultaten var lysande:

–    Med GE-enzymer tillsatta i cocktailen mångdubblades de frisläppta sockerarterna. Vi ser verkligen att de hjälper till och är effektiva genom att klippa viktiga bindningar i växtbiomassa.


Text: Mia Malmstedt
Foto: Johan Larsbrink (enzym), Silvia Hüttner

Publicerad: to 04 okt 2018. Ändrad: fr 12 okt 2018