La production de biocarburants comme l'éthanol à partir de matières végétales nécessite diverses enzymes pour décomposer les fibres cellulosiques. Les scientifiques utilisant la diffusion de neutrons ont identifié les spécificités d'une réaction catalysée par une enzyme qui pourrait réduire considérablement la quantité totale d'enzymes utilisées, améliorer les processus de production et réduire les coûts.

Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie et de l'Université d'État de Caroline du Nord ont utilisé une combinaison de cristallographie aux rayons X et aux neutrons pour déterminer la structure atomique détaillée d'une enzyme fongique spécialisée. Une meilleure compréhension de la réactivité enzymatique pourrait également conduire à des modèles informatiques améliorés qui guideront davantage les applications industrielles pour des formes d'énergie plus propres. Leurs résultats sont publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition.

Faisant partie d'une famille plus vaste connue sous le nom de polysaccharides monooxygénases lytiques, ou LPMO, ces enzymes dépendantes de l'oxygène agissent en tandem avec les enzymes hydrolytiques, qui décomposent chimiquement les grosses molécules complexes avec l'eau, en oxydant et en rompant les liaisons qui maintiennent les chaînes de cellulose ensemble. Les enzymes combinées peuvent digérer la biomasse plus rapidement que les enzymes actuellement utilisées et accélérer le processus de production de biocarburants.

« Ces enzymes sont déjà utilisées dans des applications industrielles, mais ils ne sont pas bien compris, " a déclaré l'auteur principal Brad O'Dell, un étudiant diplômé de l'État de Caroline du Nord travaillant dans la division de biologie et de matière molle de la direction des sciences neutroniques de l'ORNL. « La compréhension de chaque étape du mécanisme d'action du LPMO aidera l'industrie à utiliser pleinement ces enzymes et, par conséquent, rendre les produits finis moins chers."

Dans une enzyme LPMO, l'oxygène et la cellulose s'arrangent à travers une séquence d'étapes avant que la réaction de déconstruction de la biomasse ne se produise. Un peu comme "à ta marque, se mettre, aller, " dit O'Dell.

Pour mieux comprendre le mécanisme de réaction de l'enzyme, O'Dell et sa coauteure Flora Meilleur, Scientifique des instruments ORNL et professeur agrégé à NC State, utilisé le diffractomètre à diffusion de neutrons IMAGINE du réacteur isotopique à haut flux de l'ORNL pour voir comment les molécules d'enzyme et d'oxygène se comportaient dans les étapes menant à la réaction, de « l'état de repos » à « l'état actif ».

L'état de repos, O'Dell dit, C'est là que tous les composants critiques de l'enzyme s'assemblent pour lier l'oxygène et les glucides. Lorsque les électrons sont livrés à l'enzyme, le système passe de l'état de repos à l'état actif, c'est-à-dire de "à vos marques" à "prêts".

A l'état actif, l'oxygène se lie à un ion cuivre qui initie la réaction. Aidé par la diffraction des rayons X et des neutrons, O'Dell et Meilleur ont identifié une molécule d'oxygène inédite stabilisée par un acide aminé, histidine 157.

L'hydrogène est un élément clé des acides aminés comme l'histidine 157. Les neutrons étant particulièrement sensibles aux atomes d'hydrogène, l'équipe a pu déterminer que l'histidine 157 joue un rôle important dans le transport des molécules d'oxygène vers l'ion cuivre dans le site actif, révélant un détail essentiel sur la première étape de la réaction catalytique du LPMO.

"Parce que les neutrons nous permettent de voir les atomes d'hydrogène à l'intérieur de l'enzyme, nous avons obtenu des informations essentielles pour déchiffrer la chimie des protéines. Sans ces données, le rôle de l'histidine 157 serait resté flou, " Meilleur a déclaré. " Les neutrons ont joué un rôle déterminant dans la détermination de la façon dont l'histidine 157 stabilise l'oxygène pour lancer la première étape du mécanisme de réaction LPMO. "

Leurs résultats ont ensuite été confirmés par des calculs de chimie quantique effectués par le coauteur Pratul Agarwal de la Direction de l'informatique et des sciences informatiques de l'ORNL.

La préparation du matériel de recherche a été soutenue par le Centre ORNL de biologie moléculaire structurelle. Les données de rayons X ont été collectées à la source de photons avancée du laboratoire national d'Argonne grâce à l'accès fourni par l'équipe d'accès collaboratif de la région du sud-est.

O'Dell affirme que leurs résultats affinent la compréhension actuelle des LPMO pour les chercheurs scientifiques et industriels.

« C'est un grand pas en avant pour comprendre comment les LPMO initient la dégradation des glucides, " O'Dell a déclaré. "Maintenant, nous devons caractériser l'état activé de l'enzyme lorsque la protéine est également liée à un glucide qui imite la cellulose. Ensuite, nous aurons la chance de voir quels changements structurels se produisent lorsque le pistolet de départ est tiré et que la réaction décolle."