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新的观察结果揭示了单一纤维素酶的运行模式 。
发布时间:2019-02-23 作者:佚名 浏览:

TrCel7a是一种纤维素酶:一种能够分解纤维素的特殊酶,纤维素是地球上最丰富的天然聚合物。。 这种酶就像显微镜下的碎木机。。 它吞下紧密结合的纤维素束,并将它们分解成单糖。。 它的工作速度非常慢,但是就像一辆以非常慢的速度行驶的卡车,一旦它开始行驶,就很难停下来。。它也是自动推进的,在很大程度上取决于它破坏的纤维素键的能量。

新的观察结果揭示了单个纤维素酶的运作方式

找到一种更快更有效的方法来生产酶,如TrCel7a,可能是将纤维素制成的乙醇转化为主要的新型可再生燃料来源的关键。在美国,大约有3。2.30亿吨纤维素废料被扔掉——足以提供目前燃料消耗的30 %。

范德比尔特大学化学和生物分子工程教授马修·朗说:“到目前为止,这个系统在分子水平上是一个黑乐尔金融匣子。“。我们知道这些酶是做什么的,但是我们不知道它们是如何工作的。”

在朗实验室工作,博士生索尼娅·布雷迪打开TrCel7A下面的黑匣子,朝里面看。借用生物物理学家用来研究其他分子马达的技术,她以前所未有的细节测量了酶及其成分的行为。这项研究的结果发表在2015年12月10日的在线期刊《自然通讯》上。。

“测量单个酶及其组分的行为是纤维素分解研究的新策略,”布雷迪说。“我们希望它能提供知识,其他人可以用新的令人兴奋的方式将生物策略与工业过程结合起来。“

在过去的八年里,美国。S。政府一直支持发展先进生物燃料的重大计划。纤维素乙醇的主要研究领域之一是寻找最有效、最廉价的微生物和酶。这些努力大多集中在寻找方法使产纤维素酶的微生物产生更多的这些酶。

另一方面,布雷迪和朗决定研究一种纤维素酶的工作方式。为此,他们选择了丝状真菌里氏木霉生产的纤维素酶,这是商业上用于分解纤维素的微生物之一。里氏木霉为此产生三种不同酶的混合物,其中60 % (质量) ) )是TrCel7A。

为了首先直接测量单个TrCel7A分子的机械性能,研究人员使用了一种叫做光镊的仪器,用激光束抓住和操纵极小的物体。然而,它们不适用于任何像酶一样小的物质。因此,研究人员必须将微小的聚苯乙烯球附着在单个分子上。(想象一个人在梅西百货的感恩节游行中拿着一根绳子。)。)

一旦这种球体附着在纤维素纤维上,酶就会在它工作时将球体拖到它后面。这使得研究人员能够追踪他们的隐形动作。同样重要的是,研究人员可以用光镊抓住球体并施加力 。向酶传递力。通过帮助和抵抗酶的运动,研究人员确定了减慢TrCel7A所需的力以及拉动TrCel7A时的加速度。

研究人员发现这种酶非常慢。它沿着纤维素链爬行,平均只有0。25纳米。这大约是每秒10个氢原子的宽度。他们发现它的运动包括纳米尺度和不同长度停留时间的交替步骤。Lang说:“增加步长似乎很容易,因为它似乎与纤维素中葡萄糖单位的长度直接相关。”。“然而,当我们施加辅助力时,我们可以通过减少停留时间来使酶的速度加倍。”

此外,研究人员将酶分解成其成分,并阐明了每种成分的作用。TrCel7a有三个基本组成部分:一个主要的“催化域( CD )”、一个小得多的“碳水化合物结合模块( CBM )”和一个连接两者的灵活的“连接域( LD )”。“我们称之为CBM和LD球以及CD链,”朗说。

利用酶的基因蓝图,研究人员制作了一个没有LD和CBM的催化域版本。他们发现,一旦这张裸露的CD发现了一缕被咀嚼的纤维素,它的行为就会和整个酶一样。“这引发了一个问题,为什么裁谈会保持它的球和链,”朗说。

答案似乎是,通过附着在纤维素纤维上,CBM将CD保持在纤维附近,因此它可以找到松散的末端,并且更容易被摄入。他们的研究表明,没有球和链的CD引发的纤维素加工率仅为整个酶的1 / 50。

TrCel7A的一个局限性是,它需要找到纤维素链的断裂端,然后才能开始工作。这就是里氏木霉产生另一种叫做内纤维素酶的酶的原因。这需要短的纤维素纤维片,这将基本上产生松散的末端,TrCel7A可以开始消化。结果,这两种酶联合作用的分解速率显著高于它们可以独立工作的分解速率。

Lang认为,他们研究的下一步是研究这些酶是如何在分子水平上协同工作的。

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