Onderzoekers ontwikkelen methode met precisie van één molecuul om enzym ‘plakkerigheid’ te ontwikkelen

Wetenschappers van de Rutgers University hebben een analytische toolkit ontwikkeld om de bindende krachten van afzonderlijke eiwitten te meten wanneer ze van hun substraat worden getrokken – zoals een enzym – die de ontwikkeling van nieuwe nanomaterialen zal helpen, de productie van biobrandstoffen en de wereldwijde koolstofcyclus zal verbeteren, en nieuwe en betere medicijndoelen, volgens een nieuwe studie.

De studie, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences, onderzoekt de moleculaire interacties tussen een koolhydraatbindend module (CBM) eiwit en zijn bindende substraat cellulose. Cellulose, een soort polymeer van plantaardige vezels gemaakt van herhalende glucosesuikers, kan worden gebruikt om textiel, cellofaan, karton en papier te maken, naast het dienen als hernieuwbare grondstof voor de productie van biobrandstoffen en biochemicaliën.

Cellulose is de meest voorkomende organische verbinding op aarde die van nature wordt afgebroken door micro-organismen en speelt daarom een ​​centrale rol in de wereldwijde koolstofcyclus. Wetenschappers hebben echter nog steeds een beperkt begrip van hoe micro-organismen zoals bacteriën cellulose afbreken door zich eerst te verankeren of te “kleven” aan het substraatoppervlak met behulp van koolhydraatbindende eiwitten en enzymen.

Om efficiëntere enzymen en microben te ontwikkelen die cellulose afbreken tot suikers voor de productie van biobrandstoffen, zoals ethanol, biodiesel, groene diesel of biogas, is het volgens de onderzoekers nodig om beter te begrijpen hoe koolhydraatbindende eiwitten zich aan substraten verankeren om betere enzymen te ontwikkelen met optimale “plakkerigheid” die de afbraak van cellulose door microben kan maximaliseren.

“De binding van eiwitten en enzymen aan complexe koolhydraten op het grensvlak tussen vast en vloeibaar is een fundamenteel belangrijk biologisch fenomeen dat relevant is voor plantengroei, pathogeen-gastheercelinfecties en de productie van biobrandstoffen”, zegt Shishir Chundawat, senior auteur van het onderzoek en een medewerker. hoogleraar bij de afdeling Chemical and Biochemical Engineering aan de Rutgers. “Maar dergelijke grensvlakbindingsprocessen worden niet goed begrepen vanwege het gebrek aan analytische hulpmiddelen om deze subtiele en kortstondige moleculaire interacties tussen eiwitten en koolhydraten zoals cellulose waar te nemen.”

De methodologie beschrijft de analytische techniek van de onderzoekers om te onderzoeken hoe eiwitten met precisie op moleculair niveau aan cellulose-oppervlakken hechten, wat inzicht geeft in de complexe mechanismen die worden gebruikt door microbiële enzymen tijdens de afbraak van cellulose.

Chundawat zei dat de door Rutgers ontwikkelde toolkit de contacten van afzonderlijke eiwit-koolhydraatmoleculen en relevante krachten kan meten met een precisie van 1 biljoenste newton. Eén newton is gelijk aan de minimale kracht die vaak nodig is om een ​​gekkohagedis los te maken die aan een muur of oppervlak is verankerd.

Het onderzoeksteam bestudeerde een CBM-eiwit dat ervoor zorgt dat bacteriële cellen stevig kunnen verankeren aan cellulose-oppervlakken als een gekko en veranderde de “plakkerigheid” van het oppervlak van de gemanipuleerde eiwitten, zoals gemeten met behulp van deze nieuwe toolkit om de afbraakactiviteit van cellulose te verbeteren. De bevindingen uit de toolkit waren in overeenstemming met andere experimenten en simulaties die zijn uitgevoerd om de onderliggende moleculaire regels die verantwoordelijk zijn voor de kleverigheid van CBM-eiwitten aan cellulose-oppervlakken verder uit te leggen.

“Als bepaalde CBM’s zich aan de koolhydraten kunnen hechten in specifieke structurele oriëntaties die de enzymatische functie verbeteren, zijn traditionele methoden niet in staat om de ene specifieke bindingsoriëntatie te onderscheiden van de andere die nodig is om de eiwitkleverigheid voor oppervlakken te verfijnen”, zegt Markus Hackl, eerste auteur van de studie die de ontwikkeling van de toolkit leidde en een promovendus bij de afdeling Chemical and Biochemical Engineering van Rutgers. “Onze methode kan echter die subtiele verschillen in eiwitkleverigheid oppikken door het signaal van een enkele eiwitmolecuulinteractie met cellulose te detecteren en te meten.”

Zo’n toolkit kan wetenschappers helpen bij het bestuderen en verfijnen van kleverige moleculaire interacties tussen eiwitten en koolhydraten die uiteindelijk helpen bij de ontwikkeling van beter gerichte op eiwit gebaseerde medicijnen voor verbeterde gezondheidszorg of efficiënte industriële enzymen voor goedkope productie van biobrandstoffen.

Andere co-auteurs van Rutgers aan het onderzoek zijn Edward Contrada, Jonathan Ash, Atharv Kulkarni, Ki-Bum Lee, Jinho Yoon, Hyeon-Yeol Cho en onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (John Yarbrough) en Los Alamos National Laboratory (Cesar López en Sandrasegaram Gnanakaran).