Naukowcy chcą przekształcić naturalne i obfite drewno w użyteczne materiały, a w centrum tego znajduje się maszyna molekularna występująca w grzybach, która rozkłada złożony surowiec na podstawowe składniki. Badacz z Uniwersytetu Kobe i jego zespół jako pierwsi opracowali paszę testową dla maszyny molekularnej grzybów, która pozwala im obserwować jej zbliżone do naturalnego działanie, otwierając drzwi do jej udoskonalenia i zastosowania w przemyśle.
Inżynierowie biochemii chcą przekształcić obfity i odnawialny materiał, jakim jest drewno, w bioplastik, medycznie istotne chemikalia, dodatki do żywności lub paliwo. Jednak złożona struktura drewna stanowiła główną przeszkodę w tym zakresie. Bioinżynier z Uniwersytetu Kobe, KOH Sangho, wyjaśnia: „Drewno składa się z różnych, chemicznie powiązanych materiałów, takich jak lignina i hemiceluloza, które najpierw muszą zostać oddzielone, aby stać się dostępnymi jako materiały źródłowe”. Innymi słowy, drewno wymaga łuskania. Grzyby mają enzymy, maleńkie maszyny chemiczne, zdolne do tego, ale aby je ulepszyć i dostosować do użytku przemysłowego, musimy zrozumieć, jak działają, a naukowcy nie mieli odpowiedniego pożywienia lub „substratu” dla enzymu, aby zbadać jego funkcję. „Jako student studiów podyplomowych na Uniwersytecie Shinshu nie udało mi się stworzyć typowego wykresu dynamiki reakcji enzymatycznych, który znamy z podręczników, używając powszechnie stosowanego substratu testowego. Skontaktowałem się nawet z badaczem, który jako pierwszy odkrył enzym, aby zapytać, co robię źle, ale odpowiedział, że nie robię nic złego i że moje wyniki są typowe dla prób scharakteryzowania tego enzymu” – opowiada Koh.
Motywowani tym, początkujący bioinżynier i jego zespół stworzyli nowy materiał, który zachowuje kluczowe cechy strukturalne naturalnego substratu enzymu, a jednocześnie jest wystarczająco prosty, aby umożliwić modyfikację chemiczną i symulację obliczeniową. „Kluczem do naszej zdolności do stworzenia odpowiedniego substratu było to, że wcześniej znaleźliśmy inny enzym, który pozwolił nam tworzyć bardzo specyficzne fragmenty hemicelulozy, których nie można było wytworzyć w żaden inny sposób. Tylko z tymi fragmentami mogliśmy chemicznie syntetyzować odpowiedni substrat testowy”, mówi Koh o tym, dlaczego nikt inny nie był w stanie scharakteryzować enzymu.
Bioinżynierowie opublikowali teraz swoje wyniki w czasopiśmie Komunikacja w zakresie badań biochemicznych i biofizycznych. Jako pierwszy zespół, który był w stanie zaobserwować działanie wyizolowanego enzymu w warunkach zbliżonych do naturalnych, jako pierwsi określili jego szybkość reakcji i powinowactwo, kluczowe parametry dla bioinżynierów pracujących nad dowolnym enzymem. Koh mówi: „Kiedy w wyniku wykorzystania zaprojektowanego przeze mnie substratu wyłoniła się podręcznikowa dynamika reakcji, byłem naprawdę szczęśliwy. Dzięki temu możemy w końcu scharakteryzować „prawdziwą” naturę enzymu, a także ulepszyć ją i zastosować przemysłowo”.
Ich symulacje obliczeniowe pokazały, co stanowi różnicę między poprzednimi próbami a ich podejściem: do tej pory badacze skupiali się tylko na konkretnym miejscu w substracie, w którym powinien on zostać rozszczepiony, a zatem testowany substrat, którego użyli, składał się zasadniczo tylko ze struktury łączącej. Jednak nowo zsyntetyzowany substrat Koh zachowuje krótki ogon hemicelulozy przyłączony do miejsca reakcji i okazało się, że to właśnie ten ogon wiąże się z enzymami podczas wykonywania swojej roli.
Teraz, gdy naukowcy dysponują jasnymi parametrami wydajności i mechanizmem reakcji enzymu, chcą szukać lepszych alternatyw w różnych grzybach i spróbować chemicznie zmodyfikować cząsteczkę, aby zobaczyć, jak to wpłynie na jej wydajność. Ponadto naukowcy uważają, że ich testowy substrat odegra również rolę w badaniu, w jaki sposób ten enzym współpracuje z innymi, aby oddzielić różne składniki drewna. Koh podsumowuje: „Uważamy, że był to znaczący krok w kierunku przemysłowego zastosowania procesu do wytwarzania użytecznych chemikaliów z obfitego naturalnego zasobu”.
Badania te zostały sfinansowane przez Japan Society for the Promotion of Science (dotacje 23K13870 i 17K07874) oraz Sugiyama Sangyou Kagaku Research Foundation. Zostały przeprowadzone na Shinshu University we współpracy badaczy z National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Kobe University i Shinshu University.
