Collaborative Research: Engineering of Recoverable Cellulosomes for Bioconversion

合作研究:用于生物转化的可回收纤维素体工程

基本信息

项目摘要

The sustainable, industrial-scale production of transportation biofuels from plant biomass rely on enzymes called cellulases that break down the cellulosic fraction of biomass into sugars that can be fermented into bioethanol. The major cost of this process is the cellulase, which in the current generation of cellulosic biofuel facilities, is discarded after use because it must be dissolved in water to break down cellulose to sugars, and cannot be easily recovered. Recycling the cellulase enzyme would reduce the cost of cellulosic biofuels production. The goal of this project is to develop a new way of encapsulating the cellulase enzyme in recoverable solid form so that it can be collected reused multiple times before disposal. The key innovation is to bind the cellulase enzyme to nanometer-sized capsule called a cellulosome, which preserves the activity of the enzyme for cellulose conversion, and has a magnetic core which facilitates its recovery from dilute water processing streams. The educational activities associated with this project include mentoring of undergraduate student projects coordinated through the Nurturing American Tribal Undergraduate Research and Education (NATURE) program at North Dakota State University.Microorganisms that naturally produce cellulase enzymes bind them into special structures on the cell surface called cellulosomes. Due to the close proximity of these enzymes within the cellulosomes, the bioconversion of cellulosic and hemicellulosic materials proceeds with a high velocity and efficiency. However, in the industrial production of celluloytic enzymes, the cellulosome is not present. This research will engineer recoverable cellulosomes through a biomimetic approach where celluloytic enzymes are encapsulated within a nanstructured capsule containing a magnetic core. This biomimetic cellulosome will contain a number of complimentary celluloytic enzymes confined within a polymeric environment, and will be engineered to mimic several key properties of natural cellulosomes, including diversity of hydrolytic activity, close proximity of complementary enzymes, and strong and selective binding of the biomimetic cellulosome to cellulosic substrates. The magnetic core of the biomimetic cellulosome will facilitate its recovery from liquid suspension using magnetic separation techniques. To explore the potential of the biomimetic cellulosome for biomass conversion processes, the research has four objectives. The first objective is to make a series of new biomimetic cellulosomes to enhance synergism of hydrolytic enzymes for bioconversion of cellulosic materials to sugars. The second objective is to quantify the effects of the biomimetic cellulosome structure and immobilized enzyme diversity on cellulose hydrolysis to gain a fundamental understanding of cellulase synergism in natural cellulosomes. The third objective is to gain a fundamental understanding of cellulosome interaction with cellulosic substrates and lignin, and the fourth objective is to augment the functionality of the biomimetic cellulosome for broader applications. The anticipated outcomes from these studies include a fundamental understanding of the synergism of enzymes in engineered cellulosomes, their efficacy for different forms of substrates, and their potential for recovery and reuse.
植物生物量运输生物燃料的可持续,工业规模的生产依赖于称为纤维素酶的酶,这些酶将生物量的纤维素分数分解为可以发酵成生物乙醇的糖。 该过程的主要成本是纤维素酶,在当前一代的纤维素生物燃料设施中,使用后将其丢弃,因为必须将其溶解在水中才能将纤维素分解为糖,并且不能轻易恢复。 回收纤维素酶的酶将降低纤维素生物燃料生产的成本。 该项目的目的是开发一种新的方法,以可回收的固体形式封装纤维素酶,以便在处置前多次收集重复使用。关键的创新是将纤维素酶与称为纤维素体的纳米尺寸囊结合,该胶囊保留了该酶用于纤维素转化的活性,并具有磁芯,可促进其从稀释水加工流中恢复。 与该项目相关的教育活动包括通过北达科他州立大学的培养美国部落本科研究和教育计划协调的本科生项目的指导。天然产生纤维素酶酶将其结合到细胞表面上称为纤维素体的特殊结构的男生。 由于这些酶在纤维素体内的紧密距离,因此纤维素和半纤维素材料的生物转化具有很高的速度和效率。 但是,在纤维素酶的工业生产中,纤维素不存在。 这项研究将通过一种仿生方法来设计可回收的纤维素,其中将纤维素酶封装在含有磁芯的非建筑胶囊中。 这种仿生纤维素将包含许多限制在聚合物环境中的免费纤维素酶,并将设计为模仿天然纤维素体的几种关键特性,包括水解活性的多样性,互补酶的密切相邻,以及生物象征性良好的蜂窝状细胞含量的强大和选择性结合。 仿生纤维素体的磁芯将促进使用磁分离技术从液体悬浮液中恢复。 为了探索仿生纤维素对生物量转化过程的潜力,该研究具有四个目标。第一个目标是制作一系列新的仿生纤维素体,以增强水解酶的协同作用,以使纤维素材料对糖的生物转化。 第二个目标是量化仿生纤维素结构和固定酶多样性对纤维素水解的影响,以获得对天然纤维素体中纤维素酶协同作用的基本理解。 第三个目标是对纤维素体与纤维素底物和木质素的相互作用有基本的了解,第四个目标是增强仿生纤维体在更广泛的应用中的功能。 这些研究的预期结果包括对工程纤维体中酶的协同作用的基本理解,对不同形式的底物的功效以及它们的恢复和再利用潜力。

项目成果

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