Endelig finder forskere helt unikt svampeenzym

I årtier har forskere ledt efter et helt bestemt enzym i en helt bestemt svamp.

Enzymet er en central komponent i en enzymcocktail, der kan lave brændstoffet bioethanol ud af lignocellulose, som er det mest tilgængelige biologiske materiale i naturen.

Enzymet har forskere nu endelig identificeret i svampen Aspergillus nidulans, og det åbner op for potentiel industriel storproduktion af bioethanol fra stort set alt plantemateriale.

"Der er flere interessante perspektiver i det her. For det første er det interessant, at vi har teknologien til at lede efter og finde disse unikke enzymer, som vi har ledt efter i mange år, og for det andet åbner det op for muligheden for at producere nogle industrielt interessante enzymer i stor skala. Det er også årsagen til, at vi har indsendt en patentansøgning på vores fund," fortæller en af forskerne bag opdagelsen, professor Jesper Velgaard Olsen, der leder Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research ved Københavns Universitet.

Studiet, der er blevet til i et tæt samarbejde mellem forskere på Københavns Universitet og Danmarks Tekniske Universitet, er offentliggjort i Nature Communications.

Svampe kan noget helt særligt

Hvis vi tillader os at angribe hele fortællingen om den nye opdagelse bagfra, så drejer det sig i det store perspektiv om at nedbryde lignocellulose. Lignocellulose er det stof, som plantevægge er lavet af, og der er rigtig, rigtig meget af på Jorden.

Det er desværre også meget svært nedbrydeligt.

Nogle enzymer, der findes i blandt andet svampen Aspergillus nidulans, er dog i stand til at nedbryde lignocellulose ved oxidation, hvorved byggestenene i lignocellulose bliver tilgængelige for produktion af alt muligt andet, herunder bioethanol.

De enzymer, som Aspergillus nidulans benytter til formålet, hedder lytiske polysakkarid monooxygenaser (LPMOer), og de er meget interessante i en industriel sammenhæng.

LPMOerne opnår deres helt unikke nedbrydende egenskab ved blandt andet en speciel modificering af den ene ende af enzymet (N-terminalen), hvor der påsættes en methylgruppe ved en såkaldt methylering.

Denne methylgruppe gør, at enzymet ikke selv bliver nedbrudt under oxidation af lignocellulose.

I det nye forskningsarbejde har forskerne identificeret det enzym, som er ansvarligt for at methylere LPMOerne.

"Man har i mange år forsøgt at udtrykke LPMOerne i bakterier eller andre svampe for at producere store mængder af disse interessante enzymer, men når vi ikke har det enzym, der methylerer LPMOerne, efter de er blevet lavet, forbliver enzymerne sårbare over for oxidation. Derfor har forskere i mange år forsøgt at finde det enzym, som methylerer LPMOerne, og det har vi endelig fundet og karakteriseret," forklarer Jesper Velgaard Olsen.

Detektivarbejde i laboratoriet

I forskningsarbejdet har Jesper Velgaard Olsen med sine kollegaer lavet en lang række forsøg i et større detektivarbejde for at finde frem til det omtalte enzym.

For det første gjorde forskerne det, at de lod Aspergillus nidulans vokse på to forskellige medier med enten glukose eller cellulose.

Det vil sige, at de svampe, der voksede på cellulose, ville være nødt til at udtrykke de relevante enzymer for at nedbryde dette hårdføre stof, mens de svampe, der voksede på glukose, ikke havde behov for det.

Efterfølgende lavede forskerne en grundig analyse af alle de enzymer og andre proteiner, som eksisterede i svampene på de to medier.

"Tusindvis af proteiner og enzymer var forskelligt udtrykt mellem de to svampe, men via bioinformatik, hvor vi blandt andet kunne sandsynliggøre, om nogle havde et methyltransferasepotentiale (evnen til at methylere, red.), fik vi skåret det ned til 24 kandidater," fortæller Jesper Velgaard Olsen.

Fandt unikt enzym blandt 24 kandidater

I næste del af forsøgsrækken benyttede forskerne den genetiske saks CRISPR til at klippe i generne for hver af de 24 identificerede proteiner for derved at finde ud af, hvordan det ændrede på svampenes muligheder for at påsætte en methylgruppe på LPMOerne.

Det undersøgte forskerne ved hjælp af massespektrometri, hvor de kunne se, at kun når de klippede i generne til ét af de identificere enzymer, ledte det til, at LPMOerne ikke blev methylated.

Forskerne fulgte op med et forsøg, hvor de viste, at når de til de svampe, der havde fået klippet i genet for den potentielle methyltransferase, tilføjede en syntetisk methyltransferase, bragte det methylationen af LPMOerne tilbage.

I det endelige forsøg udtrykte forskerne både genet for en LPMO og genet for det identificerede enzym i en gærsvamp – hvilket er netop det, som man gerne vil gøre industrielt – og her begyndte gærsvampene at producere methylated LPMOer.

"Det har netop været problemet tidligere, at vi ikke har kunnet få dem til at blive methylated, men det kan vi nu," siger Jesper Velgaard Olsen.

Det identificerede enzym har fået navnet N-terminal histidin methyltransferase (NHMT) og er kodet af genet AN4663 (nhmT).

Kortlagde struktur af særligt enzym

I en videre del af forskningen lavede forskerne en strukturkortlægning af NHMT, og denne kortlægning viste blandt andet, at enzymet indeholder en struktur, der gør det muligt for enzymet at væve sig ind i en cellemembran med syv transmembrane segmenter.

Disse transmembrane segmenter bruger enzymet til at forankre sig i den del af cellerne, som kaldes for det endoplasmatiske reticulum, der ligger tæt om cellekernen, hvor LPMOerne først bliver produceret.

På deres vej fra cellekernen til celleoverfladen, hvor LPMOerne skal frigives, så de kan nedbryde lignocellulose, passerer enzymerne det endoplasmatiske reticulum med NHMTerne og får der methylated den ene ende af enzymet, så det ikke bliver nedbrudt ved oxidation, så snart det kaster sig over plantematerialet.

"Det er denne opdagelse og muligheden for at udnytte det industrielt, som vi har indsendt en patentansøgning på," fortæller Jesper Velgaard Olsen.