基于PALM的新技术将有助于降低生物燃料生产成本

伯克利实验室的科学家使用一种称为PALM的超高精度可见光显微镜技术，发现了一种提高制糖生物燃料糖产量的方法，这将有助于降低生产成本。

催化几乎可以引发所有现代工业生产过程，但是人们对固体表面的催化活性知之甚少。对于用于从纤维素生物质中释放出可发酵糖以生产高级生物燃料的纤维素酶而言，尤其如此。现在，劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员通过能源生物科学研究所（EBI）的支持，确实为纤维素酶催化提供了新的思路。

研究人员使用称为PALM的超高精度可见光显微镜技术进行光激活定位显微镜，发现了一种改善酶混合物的集体催化活性的方法，该酶可以提高制糖燃料的糖产量。增加纤维素生物质的糖产量以帮助降低生物燃料的生产成本，对于这些燃料的广泛商业应用至关重要。

化学研究工程师之一哈维·布兰奇（Harvey Blanch）说：“将纤维素生物质酶分解为可发酵的糖一直是生物燃料的致命弱点，这是一个关键的经济瓶颈。”“我们的研究提供了一种新的理解，即多种纤维素酶如何通过协同作用来攻击固体纤维素，这种作用被称为酶协同作用，并解释了为什么某些纤维素酶混合物的协同作用要比每种酶都更有效。”

PALM –用于光活化定位显微镜–使研究人员能够量化酶在异质表面（如植物细胞壁中）与纤维素表面结合的方式和位置。

Blanch是生物燃料研究的长期领导者，是《自然化学生物学》杂志上有关该研究的论文的三位相应作者之一。该论文的标题为“单分子分析揭示了纤维素酶协同作用的形态学靶标。”其他通讯作者是Jan Liphardt和Douglas Clark。这三人都与伯克利实验室和加利福尼亚大学伯克利分校联合任命。

先进的生物燃料由草，其他非粮食作物和农业废料的纤维素生物质中的糖合成而成，代表了可持续的，无污染的运输燃料来源，也将创造家庭就业机会和收入。国家研究委员会的最新报告强调，如果美国要在未来几十年内大幅减少其对化石燃料的使用，则需要先进的生物燃料。化石燃料负责每年向大气释放近90亿公吨过量的碳。

与玉米和其他谷物中基于淀粉的简单葡萄糖糖不同，纤维素生物质中的糖是复杂的多糖，必须从称为木质素的坚韧聚合物中提取出来，然后分解为可发酵的葡萄糖，这一过程称为糖化。由于单个纤维素酶优先基于不同的结构基序与纤维素结构发生相互作用，因此糖化是通过纤维素酶混合物（称为酶混合物）进行的。迄今为止，这些纤维素转化为葡萄糖的效率受到限制，部分原因是探测和研究纤维素酶与纤维素之间相互作用的能力有限。

《自然》的主要作者杰罗姆·福克斯（Jerome Fox）说：“与纤维素酶结合的纤维素结构一直被分类为­晶体或无定形，但与纤维素的基本结构相比，这些类别可能更能反映成像方法的局限性。”化学生物学论文以及Blanch和Clark研究小组的成员。“以前，不可能在密集标记的异质表面（例如植物细胞壁上的那些表面）上分离单个蛋白，并确定单个酶分子结合的特定位置。”

输入PALM，该技术中的目标蛋白被标记有标签的标签标记，当被弱紫外线激活时，该标签会发出荧光。通过保持足够低的紫外线强度，研究人员可以使单个蛋白质进行光活化以使其成像并确定其位置。

“我们是第一个使用PALM研究酶活性与底物异质性之间相互作用的人，” PALM技术专家Liphardt说。“这使我们能够量化酶与纤维素结合的方式和位置。”

研究人员使用棉花（一种定义明确的纤维素材料）作为模型系统，将PALM成像技术与他们设计的数学分析相结合。他们的结果表明，纤维素酶对具有许多不同水平组织的纤维素结构表现出特异性，范围从高度有序到高度无序。他们还开发了一种度量标准，表明设计成与相似但不相同的纤维素结构组织结合的纤维素酶组合可以产生有价值的协同活性。

“我们发现纤维素酶对特定水平的纤维素组织的特异性会影响其催化纤维素水解的能力，以及其他具有不同特异性的纤维素酶，” Clark说。“特别是，在相似但不相同的组织内结合的纤维素酶具有协同活性，这是无法从更经典的晶体或非晶纤维素分类系统中预测到的。”

基于PALM的新技术应使酶混合­物与特定生物质底物（例如草或木材）的结构组织最佳匹配，以便可以利用酶协同作用的所有潜在途径。这将提高糖化效率，进而有助于降低生物燃料的生产成本。该技术还具有生物燃料以外的应用。

Blanch说：“我们的技术使我们对酶在固体表面的工作方式有了更全面的了解。”“通过这种技术，我们应该能够分辨出任何酶与固体材料结合的位置，并且可以帮助设计其他纤维素材料的纤维素酶。”

除了Blanch，Liphardt，Clark和Fox，“单分子分析揭示了纤维素酶协同作用的形态学目标”的其他论文的合著者是Phillip Jess，Rakesh Jambusaria和Genny Moo。

为这项研究提供资金的EBI是BP，资助机构，加州大学伯克利分校，伯克利实验室和伊利诺伊大学香槟分校之间的合作伙伴关系。

出版物：Jerome M Fox等人，“单分子分析揭示了纤维素酶协同作用的形态学靶点”，《自然化学生物学》（2013年）； doi：10.1038 / nchembio.1227

图片：劳伦斯·伯克利国家实验室