Kopierar naturen för att skapa miljövänligt bränsle

Växtbiomassa är en enorm naturtillgång för förnyelsebar energi som till exempel biobränsle. För att ta tillvara och utnyttja växtbiomassa på ett effektivt sätt i syfte att nå hållbara energimiljömål försöker forskare förstå hur mikroorganismer sköter naturens egen återvinning av döda träd och växter.

– Vårt mål är att på sikt få fram effektivare och miljövänligare processer för att bryta ned och ta till vara växtbiomassa för att möta upp det ökande behovet av hållbar förnyelsebar energi, säger Christina Divne, forskare på Skolan för bioteknologi vid KTH.

Ett exempel på förnyelsebar energi är bioetanol gjord av växtavfall, och hon betonar att naturen själv är bästa läraren.

– En bra strategi är att först studera hur naturen tar hand om de här processerna och försöka efterlikna dem. I naturen återvinns träd och växter väldigt effektivt av en mängd olika rötsvampar och bakterier. Vi vet ju också att det sker på ett sätt som inte innebär några negativa effekter alls på miljön vilket gör det ännu mer angeläget att rikta strålkastaren mot de naturliga processerna, förklarar Christina Divne.

Hon har under två decennier studerat hur enzymer som produceras av rötsvampar fungerar när de bryter ned cellulosa med förhoppningen om att man i framtiden ska kunna utnyttja denna kunskap för förnyelsebar energi.

– Den allmänna uppfattningen inom forskarvärlden har länge varit att nedbrytningen av cellulosa och andra sockerföreningar är resultatet av en så kallad ”hydrolytisk kaskad” där ett stort antal biokatalysatorer, det vill säga enzymer, samarbetar med att klyva kopplingarna mellan sockermolekyler, säger Christina Divne.

Hon berättar att man nu börjat förstå att oxidativa reaktioner kan spela en viktig roll även vid nedbrytning av sockerkedjorna i ved och växtmaterial. Nyligen upptäckte en annan forskargrupp små enzymer som fick namnet polysackaridmonooxygenaser (PMO) som verkade påskynda nedbrytningsprocessen genom att oxidera sockerenheter och klyva sockerkedjor.

– Man har vetat ganska länge att det bruna ”klistret” i veden som kallas lignin bryts ned med hjälp av enzymer som underlättar oxidativa reaktioner, det vill säga reaktioner där elektroner överförs från en kemisk förening till en annan. Men att även cellulosa och andra sockerkedjor kan brytas ned på det här sättet var en omvälvande insikt som blev startskottet för ett paradigmskifte vad gäller vår förståelse för hur nedbrytningen av cellulosa går till. Vi har studerat oxidativa enzymer från vedrötesvampar under väldigt lång tid så det är verkligen kul att de oxidativa processernas betydelse för cellulosanedbrytningen äntligen uppmärksammas, säger Christina.

Forskargruppen har arbetat med att kartlägga hur det elektrontransporterande enzymet cellobiosdehydrogenas (förkortat CDH) ser ut och fungerar.

– CDH är ett oxiderande enzym som samarbetar med PMO när cellulosa klyvs. Nu har vi äntligen lyckats bestämma enzymets detaljerade atomstruktur och hur det ”laddar upp sig” med elektroner som sedan kan skickas vidare till PMO, förklarar Christina Divne.

Hon betonar att arbetet med att bestämma strukturen har tagit lång tid.

– Vi har använt en metod som kallas högupplöst proteinröntgenkristallografi för att bestämma strukturen hos CDH, men till skillnad från små ”stela” proteiner som PMO är CDH ett stort protein som hela tiden ändrar utseende vilket har gjort arbetet svårt och tidskrävande. Det är därför väldigt roligt att vi äntligen lyckats bestämma positionerna hos samtliga drygt 6 000 atomer i CDH, säger hon.

Hur kan resultaten öka förståelsen för hur cellulosa bryts ned i naturen?

– Bilden är inte helt komplett ännu men vi börjar förstå hur de olika utseendena hos CDH möjliggör kommunikation med PMO. Detta var möjligt genom att kombinera röntgenkristallografi med lågvinkelröntgenspridning (SAXS) där vi lyckades ”fånga” de olika tillstånd hos CDH som möjliggör transport av elektroner till olika destinationer. Forskargruppen har även för första gången kunnat visa att CDH och PMO kommunicerar direkt med varandra, och kan därmed slå fast att CDH-PMO-systemet verkligen utgör en ny typ nedbrytningsmekanism hos rötsvampar.

På vilket sätt kan de nya resultaten leda till förbättrade processer för behandling av biomassa och förnyelsebar energi?

– Man vet att en kombination av CDH och PMO påskyndar nedbrytningen av cellulosa och att CDH även påverkar på vilket sätt PMO attackerar cellulosa. De nya resultaten gör att vi nu kan förändra olika delar i CDH för att förbättra och förändra dessa effekter.

Informationen ger även forskarna möjlighet att på ett mer rationellt sätt kombinera olika oxidativa och hydrolytiska enzymer för att ta fram högeffektiva enzymblandningar, så kallade ”enzyme cocktails”, för skräddarsydd behandling av biomassa för produktion av cellulosabaserad etanol.

Forskningsresultaten har precis publicerats som en artikel med titeln

Structural basis for cellobiose dehydrogenase action during oxidative cellulose degradation i den prestigfyllda tidskriften Nature Communication.

Forskningen har gjorts på Skolan för bioteknologi vid KTH i nära samarbete med en forskargrupp vid BOKU i Wien och med finansieringsstöd från Forskningsråden Formas och VR.

Kontaktinformation
För mer information, kontakta Christina Divne på divne@kth.se.