Förbättrad lignocellulosahydrolys genom utveckling av värmetåliga multikatalytiska enzymer

Forskningsprojekt, 2017 – 2019

I omställningen till ett samhälle baserat på förnybara resurser snarare än fossila alternativ är ett effektivt användande av biomassa ett av nyckelstegen. Den årliga produktionen av biomassa genom fotosyntesen hos växter är så pass stor att ett effektivt nyttjande av denna resurs skulle minska dagens beroende av fossila bränslen markant, särskilt i samband med utveckling av energisnålare uppvärmning och transportmedel i samhället.

Vid framställning av biobränslen från växtbiomassa finns i nuläget två huvudspår, s.k. första och andra generationens bioraffinaderier. I första generationens biobränsleframställning används kolhydrater (sockerarter) som stärkelse och sackaros från matproducerande växter som vete och sockerrör, men denna lösning har stora svagheter då bränsleproduktion konkurrerar med matproduktion. Vid framställning av andra generationens biobränslen används istället växtdelar som inte används till matproduktion, så som snabbväxande gräs och träd, samt strån, skal, träflis eller andra restprodukter från skogs- och jordbruksindustrierna. Nedbrytning (hydrolys) av dessa material kan göras på många olika sätt, dels rent termokemiskt med t.ex. syror och höga temperaturer, men främst utförs hydrolysen med hjälp av mikrobiella enzymer, vilket anses vara det mest hållbara alternativet. Enzymatisk hydrolys är dock fortfarande en ekonomisk flaskhals eftersom det är ett av de dyraste stegen i framställning av biobränslen, och förbättrade enzymmetoder är nödvändiga för att kunna konkurrera med oljeindustrin.

De enzymer som används i dagens enzymblandningar produceras mest från olika sorters svampar, och sammansättningen av enzymer är således främst beroende av svampens inbyggda enzymsystem. Dessa enzymer består allt som oftast av en katalytisk domän, som utför själva hydrolysen av sin målmolekyl, som ofta är kopplad till en eller flera kolhydratbindande domäner utan katalytisk aktivitet. Studier har visat att enzymer med flera sammankopplade katalytiska domäner har en markant högre hydrolyseffekt än dem med bara en domän. Anledningen till detta är att de olika katalytiska domänerna kan arbeta tillsammans i nära kontakt och genom att ha komplementära aktiviteter kan de skapa nya angreppspunkter i biomassan till varandra. För att enzymer med singulära katalytiska domäner ska kunna samarbeta på samma sätt krävs att de antingen lyckas binda till biomassan extremt nära varandra, eller att de lyckas binda in till samma plats efter varandra, vilket också sker men med mycket lägre frekvens än om de olika domänerna är rent fysiskt sammankopplade.I detta projekt kommer vi undersöka och utveckla multikatalytiska enzymer från ett speciellt bakteriesläkte som lever i extremt varma miljöer. Dessa bakterier återfinns ofta i varma källor (runt 70-90 grader), där de effektivt bryter ned växtbiomassa. Deras genetiska sekvens kodar för en väldigt stor andel multikatalytiska enzymer jämfört med andra arter, och vissa enzymer har visat sig lika effektiva vid hydrolys av biomassa som kommersiella enzymblandningar. Studier av dessa enzymer är dock fåtaliga i nuläget, och vi kommer utvärdera en stor mängd nya enzymer från dessa bakterier. Samtidigt kommer vi skapa ett stort bibliotek med nya enzymarkitekturer genom att sammankoppla olika katalytiska- och kolhydratbindande domäner. Dessa kommer utvärderas för sin potential att användas i industriell hydrolys av industriellt relevant biomassa. Ett ytterligare fokus inom projektet är att införliva den nya sorts enzymer som på senare år revolutionerat förståelsen av mikrobiell nedbrytning av biomassa, nämligen de enzymer som klyver de starka kemiska bindningarna i kolhydratkedjor genom oxidation. Genom att sammankoppla både oxidativa och hydrolytiska enzymer kommer helt nya möjligheter för effektiv nedbrytning av biomassa att uppnås. Projektet kommer således att kunna leda till helt nya enzymblandningar med kontrollerat innehåll, och ge stora förbättringar tack vare både de stora effektivitetsförbättringar.