Команда во главе с Джереми Смитом, заведующим кафедрой Университета Теннесси (UT) -ORNL и директором Центра молекулярной биофизики (CMB) UT-ORNL, использует компьютерное моделирование для исследования химии деконструкции биомассы. Сотрудники Смита из Научного центра BioEnergy, Исследовательского центра биоэнергетики Министерства энергетики, возглавляемого ORNL, ранее разработали метод предварительной обработки для разрушения биомассы, который инициирует делигнификацию, удаление жесткой молекулы лигнина из растений. Предварительная обработка фракционированием лигноцеллюлозы, усиленным сорастворителем, включает водные растворы тетрагидрофурана (ТГФ), универсального органического растворителя.
Эта смесь сорастворителей уникальным образом взаимодействует с целлюлозой, основным структурным компонентом стенок растительных клеток, что способствует ее разрушению.Распад целлюлозы необходим для ее преобразования в этанол, возобновляемое биотопливо, получаемое из растений. Когда ученые узнают больше подробностей о процессе разрушения целлюлозы, они смогут улучшить существующий метод предварительной обработки или найти новые растворители более эффективно.В рамках проекта под руководством Бармака Мостофиана, постдокторского исследователя CMB, команда Джереми Смита создала модели, содержащие до 330000 атомов, и провела моделирование на флагманском суперкомпьютере ORNL — Cray XK7 Titan, расположенном в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), DOE.
Office of Science User Facility — ранее в этом году. Они обнаружили, что фаза сорастворителя ТГФ-вода отделяется на гранях кристаллического целлюлозного волокна. Эти грани представляют собой отдельные области, с которыми могут взаимодействовать определенные ферменты или молекулы.
Во время разделения фаз ТГФ предпочтительно связывается с гидрофобными или «водобоязненными» поверхностями целлюлозы, а вода предпочтительно связывается с гидрофильными или «водоотталкивающими» поверхностями. ТГФ усиливает связывание молекул воды со связями, которые связывают две молекулы сахара, что потенциально может увеличить гидролиз, химическое разложение целлюлозы водой.«Мы видели это разделение фаз, и мы знали, что это может означать, что на поверхности протекала химическая реакция, которую мы не наблюдали и которую раньше не рассматривали», — сказал Михолас Смит, другой постдокторский исследователь CMB.
Команда также обнаружила, что, когда они разрушили целлюлозу, отдельные цепи целлюлозы стали окружены в основном водой, в то время как ТГФ — из-за своей молекулярной структуры — оставался связанным с гидрофобными поверхностями целлюлозы. Эти результаты предоставили исследователям детальное понимание химических свойств, лежащих в основе деконструкции лигноцеллюлозной биомассы.Исследователи говорят, что это открытие поможет им идентифицировать новые сорастворители в будущем. «Эта информация поможет нам найти минимальное количество вещей, которые нам нужно вычислить, чтобы определить, подходит ли растворитель для лигноцеллюлозы», — сказал Миколас Смит. «Надеюсь, в конечном итоге мы сможем написать программу, которая улучшит процесс проверки растворителей и автоматически выберет лучшие».
Это открытие представляет собой первый шаг к определению полного пути, по которому сорастворитель ТГФ-вода разрушает целлюлозу. «Теперь мы ограничены рассмотрением двух конечных состояний процесса деконструкции целлюлозы», — сказал исследователь CMB Сяолинь Ченг. «Если мы сможем наметить полный путь, это будет более актуально. В будущем, с большей вычислительной мощностью, мы сможем моделировать путь деградации лигноцеллюлозной биомассы, чтобы понять, что происходит между двумя конечными точками».