DiscoveryMaking Nature's Best Bette

Discovery
Making Nature's Best Better to Produce Biofuels

The National Renewable Energy Laboratory uses supercomputer simulations to explore designer enzymes for renewable fuels

A cellulose-digesting enzyme from a fungus.
This is an image of the cellulose-digesting enzyme from the fungus Trichoderma reesei.
Credit and Larger Version

January 31, 2012

If a tree falls in the forest and there are no enzymes to digest it, does it break down?

It's a question that has important ramifications for the renewable energy industry. Engineers are studying methods to transform non-food plant material into transportation fuel. Think alfalfa stalks or wood chips (which have energy contained in a molecule humans can't digest called cellulose), as opposed to the edible corn grains that are used in the production of ethanol for biofuels.

"Cellulose in the biosphere can last for years," said Gregg Beckham, a scientist at the National Bioenergy Center at the U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL). "It's really tough, and we want to know why at the molecular scale."

Despite the strength of plant cell walls made of this tough molecule cellulose, over eons, fungi and bacteria have evolved enzymes to convert abundant cellulosic plant matter into sugars to use as an energy source to sustain life.

Breaking down in the lab

Unfortunately, these particular enzymes don't work fast enough to break down cellulose at a pace (and price) that is competitive with fossil fuels yet. So, computational scientists at NREL set about trying to understand and create enhanced, designer enzymes to speed up biofuel production and lower the cost of biomass-derived fuel to serve the global population.

"It's a Goldilocks problem," Beckham said. "The enzymes have to be 'just right,' and we're trying to find out what just right is, why, and how to make mutations to the enzymes to make them most efficient."

Supercomputed proteins

In a series of linked projects, researchers used the National Science Foundation-supported Ranger supercomputer at the Texas Advanced Computing Center and Energy Laboratory's Red Mesa system to simulate the world of enzymes. The researchers explored enzymes from the prodigiously plant-digesting fungus Trichoderma reesei and the cellulose-eating bacteria Clostridium thermocellum. Both of these organisms are effective at converting biomass to energy, though they use different strategies.

"Nature cleverly designed machinery for single-cell organisms to locate cellulose, then secrete large enzyme complexes that hold the cells near biomass while the enzymes degrade it," Beckham said.

The bacteria forms scaffolds for its enzymes, which work together to break apart the plant. The fungal enzymes, on the other hand, are not tethered to a large complex, but act independently.

It isn't clear how the enzyme scaffolds form, so the researchers created a computational model of the active molecules and set them into motion in a virtual environment. Contrary to expectations, the larger, slower-moving enzymes lingered near the scaffold longer, allowing them to bind to the frame more frequently; the smaller ones moved faster and more freely through the solution, but bound less often.

The results of the study, led by NREL researchers Yannick Bomble and Mike Crowley, were reported in the Journal of Biological Chemistry in February 2011. The insights are being used in the creation of designer enzymes to make biomass conversion faster, more efficient and less expensive.

Unexplored enzyme function

The scientists also studied parts of the enzyme called the carbohydrate binding molecule--a sticky "foot" that helps the enzymes find and guide the cellulose into their active site and the linker region, which joins the foot to the main body of the enzyme. The carbohydrate binding molecule and linker region were long thought to play a minor role in enzyme function; yet without them, the enzyme can't convert cellulose to glucose effectively. The researchers wondered why that is.

Using the Ranger supercomputer, the researchers made several important discoveries. First, they found that the cellulose surface has energy wells that are set 1 nanometer apart, a perfect fit for the binding module. They also found that the linker region, previously believed to contain both stiff and flexible regions, behaves more like a highly flexible tether. Those insights would have been difficult to determine experimentally, but, now hypothesized and backed up with advanced computing simulations, they can be tested in the laboratory.

"It's a very messy problem for the experimentalists," said Crowley, a principal scientist at the Energy Laboratory and Beckham's colleague. "We're using rational design to understand how the enzyme works, and then to predict the best place to change something and test it."

The research addresses the enzymatic activity bottlenecks that prevent renewable energy from cellulose containing biomass from being competitive with fossil fuels. "If we can help industry understand and improve these processes for renewable fuel production, we'll be able to offset a significant fraction of fossil fuel use in the long term," Beckham said.

-- Aaron Dubrow, Texas Advanced Computing Center (TACC),

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ค้นพบ
ทำธรรมชาติดีที่สุดดีกว่าการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

ชาติทดแทนพลังงานปฏิบัติใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จำลองการออกแบบเอนไซม์ในเชื้อเพลิงทดแทน

เอนไซม์เซลลูโลส digesting จากเชื้อราเป็น
นี้เป็นรูปของเอนไซม์เซลลูโลส digesting จากเชื้อรา Trichoderma reesei.
เครดิตและรุ่นใหญ่

31 มกราคม 2012

หากต้นไม้อยู่ในป่า และมีเอนไซม์ไม่ย่อยมัน ไม่มันแบ่ง?

มันเป็นคำถามที่มี ramifications สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานทดแทน วิศวกรกำลังศึกษาวิธีการแปลงวัสดุไม่ใช่อาหารพืชเป็นเชื้อเพลิงในการขนส่ง คิดว่า alfalfa stalks หรือเศษไม้ (ซึ่งมีพลังงานอยู่ในโมเลกุลมนุษย์ไม่สามารถย่อยเซลลูโลสเรียก), จำกัดธัญพืชกินข้าวโพดที่ใช้ในการผลิตเอทานอลสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพ

"เซลลูโลสในชีวบริเวณสามารถสุดท้ายสำหรับปี กล่าวว่า เบคแฮมเกร็ก เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์พลังงานชีวภาพแห่งชาติที่สหรัฐอเมริกากรมของพลังงานของชาติทดแทนพลังงานปฏิบัติ (NREL) "ก็จริง ๆ ยาก และเราต้องการทราบเหตุผลที่ระดับโมเลกุล"

แม้ มีความแข็งแรงของพืช ผนังเซลล์ประกอบเซลลูโลสโมเลกุลยากนี้ มากกว่ามหา เชื้อรา และแบคทีเรียที่มีพัฒนาเอนไซม์แปลงเรื่องพืชอุดมสมบูรณ์ cellulosic เป็นน้ำตาลเพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานที่พยุงชีวิต

แบ่งใน

แต่ เอนไซม์เหล่านี้โดยเฉพาะไม่ทำเร็วพอทำลายเซลลูโลสที่ก้าว (และราคา) ที่จะแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลยัง ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์คำนวณที่ NREL ตั้งค่าเกี่ยวกับการพยายามทำความเข้าใจ และสร้างพิเศษ ออกแบบเอนไซม์เร่งผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และลดต้นทุนของเชื้อเพลิงมาชีวมวลเพื่อประชากรโลก

"ก็ปัญหา Goldilocks เบคแคมกล่าว "เอนไซม์จะต้อง 'เหมาะสม' และเรากำลังพยายามค้นหาพักอะไร ทำไม และวิธีทำให้กลายพันธุ์ไปเอนไซม์เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด"

โปรตีน supercomputed

ในชุดของโครงการที่เชื่อมโยง นักวิจัยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เจ้าหน้าที่สนับสนุนมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติที่ศูนย์คอมพิวเตอร์ขั้นสูงเท็กซัสและพลังงานปฏิบัติระบบแห้งสีแดงเพื่อจำลองโลกของเอนไซม์ นักวิจัยสำรวจเอนไซม์จาก prodigiously พืช digesting เชื้อรา Trichoderma reesei และกินเซลลูโลสแบคทีเรียเชื้อ Clostridium thermocellum ทั้งของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีประสิทธิภาพในการแปลงชีวมวลไปเป็นพลังงาน แม้ว่าพวกเขาใช้กลยุทธ์ที่แตกต่างกัน

"ธรรมชาติคำนึงการออกแบบเครื่องจักรสำหรับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเพื่อค้นหาเซลลูโลส แล้วหลั่งเอนไซม์ขนาดใหญ่คอมเพล็กซ์ที่เซลล์ใกล้ชีวมวลในขณะที่เอนไซม์ย่อยสลายได้ เบคแคมกล่าว

แบคทีเรียใช้ scaffolds สำหรับของเอนไซม์ ซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อทลายโรงงาน เชื้อราเอนไซม์ ในทางกลับกัน มีไม่ทุกการคอมเพล็กซ์ขนาดใหญ่ แต่ดำเนินการโดยอิสระ

ไม่ได้ชัดเจนว่าเอนไซม์นี้ scaffolds ฟอร์ม เพื่อให้นักวิจัยสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณของโมเลกุลใช้งานอยู่ และตั้งค่าในการเคลื่อนไหวในสภาพแวดล้อมเสมือน ตรงกันข้ามกับความคาดหวัง ใหญ่ ย้ายช้าเอนไซม์อวลอยู่ใกล้นั่งร้านยาว ทำให้ผูกกับเฟรมบ่อย คนเล็กย้ายได้เร็วขึ้น และมากขึ้นได้อย่างอิสระผ่านการแก้ปัญหา แต่น้อยมักจะผูก

มีรายงานผลของการศึกษา นำ โดยนักวิจัย NREL Yannick Bomble และ Mike Crowley ในสมุดรายวันของชีวภาพวิชาเคมีใน 2554 กุมภาพันธ์ มีการใช้ข้อมูลเชิงลึกในการสร้างเอนไซม์ออกจะทำให้ชีวมวลแปลงเร็ว มีประสิทธิภาพมากขึ้น และแพงขึ้น

บรรยากาศเงียบสงบทั้งฟังก์ชั่นเอนไซม์

ที่นักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาส่วนประกอบของเอนไซม์ที่เรียกว่าโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตรวม - ความเหนียว "เท้า" ที่ช่วยค้นหา และแนะนำเซลลูโลสในไซต์ของตนเองใช้งานอยู่และตัวเชื่อมโยงเขตภูมิภาค เอนไซม์ ซึ่งรวมเท้าในเนื้อความหลักของเอนไซม์นี้ คาร์โบไฮเดรตรวมโมเลกุลและตัวเชื่อมโยงเขตภูมิภาคได้นานคิดว่า บทบาทรองในฟังก์ชั่นเอนไซม์ ยัง ไม่ มีพวกเขา เอนไซม์ไม่แปลงเซลลูโลสกลูโคสอย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยสงสัยว่า ทำไมที่หมู่เกาะ

ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เจ้าหน้าที่ นักวิจัยทำการค้นพบที่สำคัญต่าง ๆ ครั้งแรก พวกเขาพบว่า ผิวเซลลูโลสมีบ่อพลังงานที่ตั้งเฉพาะ nanometer 1 แยก เอมสำหรับโมผูก พวกเขายังพบว่า ตัวเชื่อมโยงเขตภูมิภาค ก่อนหน้านี้ เชื่อว่าประกอบด้วยทั้งแข็ง และยืดหยุ่นภาค ผสมมากออกมีความยืดหยุ่นสูง จะได้รับข้อมูลเชิงลึกที่ยากต่อการกำหนด experimentally แต่ ตอนนี้ตั้งสมมติฐานว่า และสำรองข้อมูล ด้วยระบบคอมพิวเตอร์จำลองขั้นสูง พวกเขาสามารถทดสอบในห้องปฏิบัติการได้

"เป็นปัญหาที่ยุ่งมากสำหรับ experimentalists กล่าวว่า Crowley เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่ร่วมปฏิบัติการพลังงานและของเบคแฮมนั้น "เรากำลังใช้เชือดออกแบบเข้าใจว่าเอนไซม์นี้ทำงาน และการทำนายการเปลี่ยนแปลงบางสิ่งบางอย่าง และทดสอบ"

การวิจัยอยู่กิจกรรมเอนไซม์ในระบบคอขวดที่ทำให้พลังงานทดแทนจากชีวมวลจากการแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ประกอบด้วยเซลลูโลส "ถ้าเราสามารถช่วยให้อุตสาหกรรมเข้าใจ และปรับปรุงขั้นตอนเหล่านี้สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงทดแทน เราจะสามารถชดเชยส่วนสำคัญของการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในระยะยาว เบคแคมกล่าว

— Aaron Dubrow เท็กซัสขั้นสูงศูนย์คอมพิวเตอร์ (TACC),

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การค้นพบที่ดีที่สุดของธรรมชาติที่ดีเพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

ห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จำลองเพื่อศึกษาเอนไซม์สำหรับนักออกแบบพลังงานทดแทนเชื้อเพลิง

เซลลูโลสย่อยเอนไซม์จากเชื้อรา
นี่คือรูปของเซลลูโลสย่อยเอนไซม์จากเชื้อรา Trichoderma reesei .
เครดิต และใหญ่กว่ารุ่น

วันที่ 31 มกราคม 2012

ถ้าต้นไม้ล้มในป่า และมีเอนไซม์ในการย่อย มันพังลง

มันเป็นคำถามว่ามี ramifications สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานทดแทน วิศวกรกำลังศึกษาวิธีการที่จะเปลี่ยนวัสดุจากพืชอาหารไม่ใช่เป็นเชื้อเพลิงในการขนส่ง คิดว่าหญ้าดอกหรือเศษไม้ ( ซึ่งจะมีพลังงานที่มีอยู่ในโมเลกุลของมนุษย์ไม่สามารถย่อยเรียกว่าเซลลูโลส )เป็นนอกคอกที่บริโภคข้าวโพดธัญพืชที่ใช้ในการผลิตเอทานอลสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพ .

" เซลลูโลสในชีวมณฑลสามารถสุดท้ายสำหรับปี " เกร็ก เบ็คแฮม นักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์พลังงานแห่งชาติสหรัฐอเมริกากรมพลังงานแห่งชาติห้องปฏิบัติการทดแทนพลังงาน ( nrel ) มันยากจริงๆ และเราต้องการทราบเหตุผลที่ "

ขนาดโมเลกุลแม้จะมีความแข็งแรงของผนังเซลล์พืชที่ทำจากเซลลูโลสโมเลกุลนี้เหนียวกว่ามหายุค เชื้อรา และแบคทีเรียมีการพัฒนาเอนไซม์ที่แปลงเรื่องเซลลูโลสพืชมากมายลงในน้ำตาลเพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงาน เพื่อรักษาชีวิต

แบ่งลงในแล็บ

ขออภัยเอนไซม์เหล่านี้โดยเฉพาะไม่ทำงานได้อย่างรวดเร็วพอที่จะทำลายเซลลูโลสในจังหวะ ( และราคาที่สามารถแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลเลย ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์เชิงคำนวณที่ nrel กำหนดเกี่ยวกับการพยายามที่จะเข้าใจและสร้าง ปรับปรุง ออกแบบ เอนไซม์ เพื่อเร่งการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และลดต้นทุนของเชื้อเพลิงชีวมวลให้ประชากรทั่วโลก

" มัน Goldilocks ปัญหา " เบ็คแฮม กล่าว" ที่ใช้ต้องเป็น ' ถูกต้อง ' และเรากำลังพยายามที่จะหาสิ่งที่ถูกต้อง คือ ทำไม อย่างไร เพื่อให้ความรู้กับเอนไซม์เพื่อให้มีประสิทธิภาพมากที่สุด "



supercomputed โปรตีนในชุดโครงการการเชื่อมโยงนักวิจัยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่สนับสนุนมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติเรนเจอร์เท็กซัสศูนย์คอมพิวเตอร์ขั้นสูงและระบบพลังงานปฏิบัติการเมซาแดงเพื่อจำลองโลกของเอนไซม์ นักวิจัยได้ศึกษาเอนไซม์จากเชื้อรา Trichoderma reesei ย่อยทั้งพืชและแบคทีเรียกินเซลลูโลส Clostridium thermocellum .ทั้งของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานชีวมวล แต่พวกเขาใช้กลยุทธ์ที่แตกต่างกัน

" ธรรมชาติที่ออกแบบมาอย่างชาญฉลาดเครื่องจักรสำหรับสัตว์เซลล์เดียวเพื่อค้นหาเซลลูโลส แล้วหลั่งเอนไซม์คอมเพล็กซ์ขนาดใหญ่ที่ถือเซลล์ใกล้ชีวมวลในขณะที่เอนไซม์ทำให้มัน , " เบ็คแฮมกล่าวว่า

แบคทีเรียรูปแบบโครงของเอนไซม์ซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อแยกพืช เอนไซม์จากเชื้อราบนมืออื่น ๆที่ไม่ใช่ล่าม ต้องการที่ซับซ้อนมาก แต่ทำเอง

มันไม่ได้ชัดเจนว่าเอนไซม์นั่งร้านฟอร์ม เพื่อให้นักวิจัยสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของโมเลกุลที่ใช้งานและตั้งค่าในการเคลื่อนไหวในสภาพแวดล้อมที่เสมือนจริง ขัดกับความคาดหวัง , ขนาดใหญ่ช้าย้ายเอนไซม์อ้อยอิ่งใกล้นั่งร้านยาวช่วยให้พวกเขาผูกกับกรอบบ่อย ; คนเล็กย้ายได้เร็วขึ้นและมากขึ้นอย่างอิสระผ่านสารละลาย แต่ผูกไว้บ่อย ๆ

ผลการศึกษานำโดยนักวิจัย nrel ยันนิก bomble และไมค์ คราวลี่ย์ ได้รายงานในวารสารเคมีชีวภาพในเดือนกุมภาพันธ์ 2011ข้อมูลเชิงลึกที่ถูกใช้ในการสร้างเอนไซม์ที่ทำให้การแปลงชีวมวลออกแบบได้เร็วขึ้นมีประสิทธิภาพมากขึ้นและราคาไม่แพง

unexplored เอนไซม์หน้าที่

นักวิทยาศาสตร์ศึกษาส่วนของเอนไซม์ที่เรียกว่าคาร์โบไฮเดรตโมเลกุล . . . เหนียวผูก " เท้า " ที่ช่วยค้นหาและแนะนำเอนไซม์เซลลูโลสเป็น ใช้งานเว็บไซต์ และ สนามกอล์ฟภาคตะวันออกซึ่งรวมเท้ากับร่างกายหลักของเอนไซม์ คาร์โบไฮเดรตโมเลกุลและผูกลิงเกอร์เขตได้นาน คิดว่าจะเล่นบทรองในเอนไซม์หน้าที่ แต่ไม่มีพวกเขา , เอนไซม์ไม่สามารถแปลงเซลลูโลสกลูโคสได้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยสงสัยว่า ทำไมถึงเป็นแบบนั้น

ใช้เรนเจอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ นักวิจัยได้ค้นพบที่สำคัญหลายประการ ครั้งแรกพวกเขาพบว่าพื้นผิวเซลลูโลสได้พลังงานบ่อที่ 1 ชุดนาโนมิเตอร์แยก พอดีสำหรับโมดูลที่มีผลผูกพัน นอกจากนี้ยังพบว่า ลิงเกอร์ ภูมิภาค ก่อนหน้านี้เชื่อว่าประกอบด้วยพื้นที่ทั้งแข็งและยืดหยุ่น ทำตัวเหมือนเป็นโซ่ตรวนที่ยืดหยุ่นสูง ข้อมูลเหล่านั้นจะได้รับยากที่จะตรวจสอบ ทดลอง แต่ตอนนี้ตั้งสมมติฐานและสำรองข้อมูล ด้วยการจำลองคอมพิวเตอร์ขั้นสูงที่พวกเขาสามารถทดสอบในห้องปฏิบัติการ

" มันเป็นปัญหาที่ยุ่งเหยิงมากสำหรับ experimentalists " บอกว่า คราวลีย์ นักวิทยาศาสตร์หลักที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ และ เบ็คแฮม ร่วมงาน " เราใช้แบบที่มีเหตุผลเข้าใจวิธีการเอนไซม์ทำงานแล้วว่าสถานที่ที่ดีที่สุดที่จะเปลี่ยนแปลงบางสิ่งบางอย่างและทดสอบ "

การวิจัยเน้นเอนไซม์คอขวดที่ป้องกันไม่ให้พลังงานจากชีวมวลจากเซลลูโลสที่มีการแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิล . ถ้าเราสามารถช่วยให้ธุรกิจเข้าใจและปรับปรุงกระบวนการผลิตเชื้อเพลิงทดแทน เราก็สามารถชดเชยส่วนที่สำคัญของการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในระยะยาว " เบ็คแฮมกล่าวว่า แอรอน ดอโบร

-- ,ศูนย์คอมพิวเตอร์ขั้นสูง ( tacc ) , เท็กซัส