为什么植物材料转化成生物燃料的过程如此缓慢？

植物细胞壁的主要成分纤维素，作为生物燃料的可再生原料具有巨大潜力。然而，与玉米等其他生物燃料原料的分解相比，纤维素的分解速度缓慢且效率低下。由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的最新研究揭示了几个分子障碍如何减缓这一过程。

研究团队最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究描述了纤维素分解过程中产生的两糖片段赤霉糖（cellobiose）如何阻塞管道并干扰后续的纤维素分解。生物燃料生产依赖于将淀粉或纤维素等化合物分解为葡萄糖，然后可以高效发酵成乙醇用作燃料或转化为其他有用材料。目前市场上主要的生物燃料选项来自玉米，部分原因是其淀粉易于分解。但使用玉米作为生物燃料源存在一些问题，包括与全球食品供应的竞争以及生成基于玉米乙醇时产生的大量温室气体。

因此，研究人员认为从玉米秸秆等植物非食用部分的纤维素进行分解是一个有前途的替代方案，同时也能利用可能浪费的丰富植物材料，但目前阻碍所谓的二代生物燃料经济竞争力的主要因素之一是当前纤维素分解过程速度缓慢且效率低下。纤维素由葡萄糖链组成，被称为纤维素酶的酶类用于分解植物材料并从纤维素中提取葡萄糖。然而，纤维素的结晶结构以及其他存在于细胞壁中的化合物如木聚糖和木质素提供了额外的挑战。传统技术无法揭示这些减速的具体分子机制。

为了探索这些不明确的机制，研究人员对单个纤维素酶进行了化学标记，并利用他们设计和建造的SCATTIRSTORM显微镜追踪分解过程的每一步，通过计算处理和生物化学建模解释了结果。他们特别研究了名为Cel7A的真菌纤维素酶的影响。研究人员发现，cellobiose在溶液中可以结合到通往“后门”的隧道，这会减慢随后的cellobiose分子的出口，因为它实质上堵住了去路。此外，他们还发现它可以结合到靠近前门的Cel7A，阻止酶结合到额外的纤维素。

研究团队表示，已有策略可以去除木聚糖和木质素等组分，但去除cellobiose更加困难。其中一种方法使用第二种酶来裂解cellobiose，但这会增加系统的成本和复杂性。研究人员认为，继续研究如何改造酶并探索酶如何可能共同作用是使纤维素从植物废料中生产生物乙醇更具竞争力的关键。

以上研究得到了美国能源部和美国国家科学基金会的资助，包括建造SCATTIRSTORM显微镜的资金支持。美国能源部资助了这项工作，并提供了对许多研究机构的支持。