Supercomputer onthult de geheimen van enzym

Supercomputer onthult de geheimen van enzym

Anonim

door Heather Lammers, National Renewable Energy Laboratory

Image

Dankzij nieuwere en snellere supercomputers openen hedendaagse computersimulaties verborgen vergezichten voor onderzoekers in alle wetenschapsgebieden. Deze krachtige machines worden gebruikt voor alles, van begrijpen hoe eiwitten werken tot het beantwoorden van vragen over hoe sterrenstelsels begonnen. Soms slagen de gegevens die ze creëren erin om juist de onderzoekers te verrassen die achterom naar het computerscherm staren - dat gebeurde onlangs met een onderzoeker bij het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van de Energy Department.

"Wat ik zag was volkomen onverwacht, " zei NREL-ingenieur Gregg Beckham.

Wat Beckham deed schrikken was een computersimulatie van een enzym van de schimmel Trichoderma reesei (Cel7A). De simulatie toonde aan dat een deel van een enzym, de linker, een noodzakelijke rol kan spelen bij het afbreken van biomassa in de suikers die worden gebruikt om alternatieve transportbrandstoffen te maken.

"Een paar jaar geleden hebben we besloten om een ​​heel lange - nou ja, heel lang een microseconde - simulatie van het hele enzym op het oppervlak van cellulose te maken, " zei Beckham. "We hebben gemerkt dat het linkergedeelte van het enzym begon te binden aan de cellulose - in feite bindt de hele linker aan het oppervlak van de cellulose."

De enzymen die de NREL-onderzoekers onderzoeken, hebben verschillende componenten die samenwerken om biomassa af te breken. De enzymen hebben een katalytisch domein - dat is het primaire deel van het enzym dat het materiaal afbreekt in de benodigde suikers. Er is ook een bindmodule, het kleverige deel dat de cellulose aan het katalytische domein hecht. Het katalytische domein en de bindingsmodule zijn met elkaar verbonden door een linker.

"Tientallen jaren lang hebben veel mensen gedacht dat deze linkers behoorlijk saai zijn, " zei Beckham. "Inderdaad, we voorspelden dat linkers alleen werken als natte noedels - ze zijn echt flexibel, en in tegenstelling tot het katalytische domein of de bindmodule, hadden ze geen bekende, goed gedefinieerde structuur. Maar de computersimulatie suggereert dat de linker een andere functie dan het verbinden van de bindingsmodule met het katalytische domein; namelijk, het kan ook enige cellulosebindingsfunctie hebben. "

Cellulose is een lange lineaire glucoseketen die het grootste deel van de celwanden van planten vormt, maar de bindingen tussen de glucosemoleculen maken het erg moeilijk om uit elkaar te vallen. In feite kan cellulose in gefossiliseerde bladeren miljoenen jaren intact blijven, maar enzymen zijn geëvolueerd om deze biomassa af te breken tot suikers door een enkele streng cellulose in het katalytische domein van de enzymen te rijgen en de bindingen te splitsen die glucosemoleculen met elkaar verbinden. Wetenschappers zijn geïnteresseerd in de enzymen in schimmels zoals Trichoderma reesei omdat ze vrij effectief zijn in het afbreken van biomassa - en schimmels kunnen veel eiwitten maken, wat ook belangrijk is voor de omzetting van biomassa.

Om een ​​alternatieve brandstof te maken, zoals cellulose-ethanol of drop-in koolwaterstofbrandstoffen, wordt biomassa voorbehandeld met zuur, heet water of andere chemicaliën en warmte om de plantencelwand te openen. Vervolgens worden enzymen aan de biomassa toegevoegd om de cellulose af te breken tot glucose, die vervolgens wordt gefermenteerd en omgezet in brandstof.

Image

Zien is niet altijd geloven

Een screenshot van de computersimulatie van een enzym van de schimmel Trichoderma reesei (Cel7A). De simulatie toonde aan dat een deel van een enzym, de linker, een noodzakelijke rol kan spelen bij het afbreken van biomassa in de suikers die worden gebruikt bij het maken van alternatieve transportbrandstoffen.

Hoewel Beckham en zijn collega's enthousiast waren over wat de simulatie liet zien, was er ook enige ongerustheid.

"Eerst geloofden we het niet, en we dachten dat het fout moest zijn, dus een collega, Christina Payne [voorheen bij NREL, nu een universitair docent in chemische en materiaalkunde aan de Universiteit van Kentucky], voerde een andere simulatie uit op het tweede meest voorkomende enzym in Trichoderma reesei (Cel6A), "verklaarde Beckham. "En we vonden precies hetzelfde.

"Veel onderzoeksteams hebben katalytische domeinen en bindende modules ontwikkeld, maar dit resultaat suggereert misschien dat we ook de functies van linkers moeten overwegen. We weten nu dat ze belangrijk zijn voor binding, en we weten dat binding belangrijk is voor activiteit - maar veel onbeantwoorde vragen blijf waar het team nu aan werkt. "

Het NREL-onderzoeksteam heeft de rekenvoorspellingen experimenteel geverifieerd door samen te werken met onderzoekers van de Universiteit van Colorado Boulder (CU Boulder), de Zweedse Universiteit voor Landbouwwetenschappen en de Universiteit Gent in België. Met behulp van eiwitten gemaakt en gekarakteriseerd door het internationale projectteam, toonde Michael Resch van NREL aan dat door de bindingsaffiniteit van de bindingsmodule te meten en deze vervolgens te vergelijken met de bindingsmodule met de toegevoegde linker, de linker een orde van grootte in bindingsaffiniteit aan cellulose gaf . Deze resultaten zijn gepubliceerd in een recent artikel in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Naast Beckham, Payne en Resch omvatten co-auteurs van het onderzoek: Liqun Chen en Zhongping Tan (CU Boulder); Michael F. Crowley, Michael E. Himmel en Larry E. Taylor II (NREL); Mats Sandgren en Jerry Ståhlberg (Zweedse Universiteit voor Landbouwwetenschappen); en Ingeborg Stals (Hogeschool Gent).

"Wat brandstoffen betreft, als je zelfs maar een kleine verbetering in deze enzymen aanbrengt, zou je dan de enzymbeladingen kunnen verlagen. Op grondstoffenniveau is er potentieel voor dramatische besparingen die zullen helpen om hernieuwbare brandstoffen concurrerend te maken met brandstoffen die zijn afgeleid van fossiele bronnen, "Zei Beckham.

Volgens Beckham is het verbeteren van deze enzymen erg uitdagend, maar ongelooflijk belangrijk voor de kosteneffectieve productie van biobrandstoffen, die de Energieafdeling al lang heeft erkend. "We ontrafelen nog steeds veel van de basismechanismen over hoe ze werken. Onze recente paper suggereert bijvoorbeeld dat dit misschien een ander facet is van hoe deze enzymen werken en een ander doel om ze te verbeteren."

Het onderzoek bij NREL wordt gefinancierd door het Bioenergy Technologies Office van de Energy Department en de computertijd werd verzorgd door zowel de Energy Department als de National Science Foundation (NSF). De originele simulatie werd uitgevoerd op een supercomputer genaamd Athena van het National Institute for Computational Sciences, onderdeel van de NSF Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). De Red Mesa-supercomputer van de Energy Department bij Sandia National Laboratories werd gebruikt voor de daaropvolgende simulaties.

Het onderzoeksteam is begonnen met het uitvoeren van andere cellulasesimulaties op NREL's nieuwe Peregrine-supercomputer.

"Slechtvalk zal ongelooflijk nuttig zijn om dit werk voort te zetten, omdat er zoveel facetten zijn die we nog proberen te begrijpen, " zei Beckham. "We proberen nog steeds te begrijpen hoe de bindingsmodule meer gedetailleerd aan cellulose blijft plakken, hoe de chemische reactie plaatsvindt in de katalytische domeinen van deze enzymen en hoe de ketens door de enzymen lopen - en dat is allemaal alleen voor dit ene enzym."

"We hebben onlangs een artikel gepubliceerd over een enzym van de houtboorschaaldier genaamd de gribble met medewerkers van de universiteiten van Portsmouth en York in het Verenigd Koninkrijk. Het katalytische domein van de gribble is vergelijkbaar, maar het heeft enkele belangrijke verschillen. Nu gebruiken we supercomputing en experimenten samen om de verschillen te begrijpen tussen een cellulase van een dier versus een van een schimmel. "

Dit soort resultaten tonen aan dat supercomputers een essentieel onderzoeksinstrument zijn dat deuren blijft openen voor ontdekking en onderweg een paar verrassingen oplevert.

"We zijn hier niet op ingegaan met de hypothese dat de linkers zouden binden - we waren gewoon aan het kijken hoe het enzym zich aan het oppervlak gedraagt, " zei Beckham. "Onze bevinding was volledig serendipitous, maar het toont echt de waarde van deze computersimulaties. Ze stellen ons in staat om dingen te bekijken met een moleculaire microscoop en te begrijpen hoe enzymen werken, vaak door nieuwe functies te voorspellen waar we nog niet eerder aan hadden gedacht. "