Исследован белок, помогающий расщеплению хитина

Рис. 1. Структура целлюлозы (вверху) и хитина. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Биотопливо сейчас пытаются производить из самого экзотического сырья — вплоть до кофейной гущи. Одна из главных трудностей при этом — расщепление присутствующих в биомассе полимеров (прежде всего, полисахаридов) до мономерных остатков, из которых дальше тем или иным способом будет получено топливо. Например, целлюлоза и хитин — одни из самых распространенных в мире полисахаридов — плохо поддаются промышленному расщеплению. Поэтому изучение ферментов, которые «режут» эти полисахариды в природе, может очень помочь при производстве биотоплива. Исследователи из норвежского Университета наук об окружающей среде и биосфере (Norwegian University of Life Sciences, UMB) подробно изучили фермент, который помогает расщеплению хитина. Их результаты, возможно, откроют путь к новому способу превращения полисахаридов в биотопливо.

Целлюлоза — главный структурный компонент клеточной стенки у растений, а хитин — у грибов; из хитина состоят панцири насекомых и ракообразных. Оба эти полисахарида очень прочные, не растворяются в воде и плохо поддаются химическому разложению. Структура их похожа: нити у целлюлозы состоят из глюкозных остатков, соединенных β-(1→4)-гликозидной связью (см. Glycosidic bond), а у хитина — из остатков N-ацетилглюкозамина (производного глюкозы), соединенных такой же связью. И у целлюлозы, и у хитина между нитями возникает множество водородных связей, которые придают полимерам дополнительную прочность.

Так что расщепление таких полисахаридов — дело нелегкое. Занимающиеся этим белки принято разделять на экзоферменты, которые «откусывают» по кусочку на «кончиках» полимерной цепи, и эндоферменты, которые режут цепь где-то посередине (и таким образом предоставляют экзоферментам больше «кончиков», от которых можно «откусывать»). Один из главных вопросов, возникающих при изучении этого процесса, — как это ферментам удается получить доступ к разрезаемой связи, если эта связь «не высовывается» из жесткой, плотно упакованной, высокоупорядоченной структуры полимера?

Картина немного прояснилась при исследовании расщепляющего хитин белка CBP21 (СВР — от chitin-binding protein), который производится бактерией Serratia marcescens.

Рис. 2. Структура белка CBP21. Связывающая поверхность (binding surface) у него плоская, поскольку он работает с плоским хитиновым «листом», состоящим из длинных нитей, соединенных между собой водородными связями. Остатки гистидина — His114 и His28 — нужны для связывания иона металла. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Возле связывающей поверхности нашего белка расположен металлосвязывающий центр, образованный двумя гистидиновыми остатками (см. рис. 2). Судя по всему, он играет важную роль в функционировании CBP21. Например, убрав из раствора ионы металлов с помощью ЭДТА, можно уменьшить активность нашего фермента, а добавив туда ионы Mg²⁺ или Zn²⁺ — восстановить его работоспособность. При этом катионы металлов не играют никакой роли в катализируемой белком реакции — похоже, что они просто помогают ферменту принять правильную конформацию. Интересно отметить, что у целлюлозного аналога CBP21, белка GH61, металлосвязывающий участок имеет очень похожую структуру (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура целлюлозного аналога CBP21 — белка GH61. Гистидины, связывающие катионы металла, расположены сходно с CBP21. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

CBP21 работает как эндофермент — режет хитин где-то посередине нити, и в результате получаются довольно длинные фрагменты. Интересно при этом то, что практически все эти фрагменты имеют четное количество мономеров — то есть наш белок может резать не каждую гликозидную связь, а только каждую вторую. Посмотрев на структуру хитина (см. рис. 1), можно сделать вывод, что CBP21 способен подойти к хитиновой нити только с одной стороны, и поэтому-то для него доступна только половина гликозидных связей.

Рис. 4. Хитоолигосахарид с органической кислотой на конце — результат работы CBP21 (R — остаток хитиновой нити). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Разрезая хитиновую нить, CBP21 один из концевых мономеров оставляет без изменений, а второй окисляет до органической кислоты (если точнее — 2-(ацетамино)-2-деокси-D-глюконовой кислоты); см. рис. 4. Чтобы выяснить, как именно происходит эта реакция, исследователи применили метод изотопной метки (см. Isotopic labeling). Оказалось, что один атом кислорода у полученной органической кислоты приходит из воды, а другой — от молекулярного кислорода. Таким образом, реакция, катализируемая нашим белком, состоит из двух частей — гидролиза и окисления. В присутствии доноров электронов (например, аскорбиновой кислоты) окисление будет ускоряться. Наоборот, дыхательные яды, которые «притворяются» кислородом, например цианид, будут его останавливать. Иными словами, выбрав правильные условия реакции, мы сможем в разы увеличить скорость расщепления хитина.

Рис. 5. CBP21 при расщеплении хитиновой нити катализирует сразу две реакции — окислительно-восстановительную (над стрелочкой) и гидролиз (под стрелочкой). Получившаяся в результате органическая кислота один атом кислорода берет от воды, а другой — от молекулярного кислорода. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Стоит еще отметить, что CBP21 — не единственный «расщепитель» хитина; скорее, он «подготавливает почву» для работы других хитиназ. Видимо, именно совместная работа нашего фермента с другими будет самой лучшей стратегией для быстрого и эффективного расщепления хитина.

Хотя картина работы CBP21 еще не до конца прояснилась (непонятно, как ему удается добраться до связей, расположенных в самых труднодоступных местах), это исследование дало много информации, которая важна и с научной, и с практической точки зрения. Рано, конечно, говорить о получении биотоплива из креветочных панцирей, но вот то, что целлюлозный аналог CBP21, скорее всего, работает сходным с ним образом, может очень помочь в промышленном расщеплении целлюлозы.

Источник: Gustav Vaaje-Kolstad, Bjørge Westereng, Svein J. Horn, Zhanliang Liu, Hong Zhai, Morten Sørlie, Vincent G. H. Eijsink. An Oxidative Enzyme Boosting the Enzymatic Conversion of Recalcitrant Polysaccharides // Science. 8 October 2010. V. 330. P. 219–222.

См. также:
1) Белок Еср6 работает как «камуфляж» для остатков молекул хитина, «Элементы», 06.09.2010.
2) Новая линия дрожжей производит биотопливо эффективнее, «Элементы», 13.10.2010.

Вера Башмакова