The virtual enzyme lab: boosting advanced biofuels

Project: Private Foundations

Project Details

Description

One of the greatest challenges for our society is transforming our transport sector from fossil fuel to renewable alternatives. Biofuel is among the advancing technologies but to be competitive, production cannot (as today) rely on feedstocks from edible crops (e.g. sugar or corn).

Unfortunately, introduction of biofuel from non-food-based biomass has been slow and its utilization is below 1%. Yet, estimates say that increasing this utilization degree can reduce greenhouse gas emissions by more than 60%. [1] In 2010, proteins discovered in fungi and certain bacteria completely changed our understanding of
nature’s mechanism to break down biomass [2,3] . These so-called lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) use a copper reaction center to accelerate breakdown of the otherwise highly stable cellulose, which is a major component of biomass. Unfortunately, LPMOs are notoriously unstable under usual processing conditions for biofuel production, likely due to oxidative self-destruction. [4] The mechanism behind this self-destruction is unknown. In fact, even the mechanism behind LPMOs’ reactivity against cellulose is unknown.

[1] http://europarl.europa.eu. Accessed: 2019-02-12.
[2] G. Vaaje-Kolstad et al. Science, 330:219–222, 2010.
[3] P. V. Harris et al. Biochemistry, 49:3305–3316, 2010.
[4] J. S. M. Loose et al. Biochemistry, 57:4114–4124, 2018.

Layman's description

Hvordan vi kan producere bæredygtig energi er et af de største uløste spørgsmål i vores samfund. En mulig vej er at udnytte biomasse fra affaldsprodukter (fx rester af kornafgrøder) til at producere biobrændstof, hvilket dog kræver, at biomassen nedbrydes. Desværre har dette vist sig at være en stor hindring, der nemt kan komme til at koste mere energi end man vil få ud af det producerede biobrændsel. Løsningen kan vise sig at komme fra en uventet side: enzymer fra visse svampe kan fremskynde nedbrydningen og gøre processen mindre energikrævende. Enzymernes molekylære mekanisme er dog ukendt, og de er ustabile under normale produktionsbetingelser. Mekanismen bag denne ustabilitet er dog også ukendt. Vi vil undersøge enzymerne gennem avancerede beregningsmetoder baseret på kvantemekanik, der er blevet kaldt den mest succesfulde teori i det tyvende århundrede. Den revolutionerede vores forståelse af fysik i 1920'erne, og er siden blevet brugt til at forudsige fysiske og kemiske fænomener med fantastisk
præcision. Desværre er nøjagtigheden utilstrækkelig for biologiske systemer, der indeholder overgangsmetaller, hvilket inkluderer enzymet, der er aktivt i nedbrydning af biomasse. Udvikling af nye kvantemekaniske modeller specifikt til overgangsmetaller er derfor en integreret del af projektet. Med disse metoder kan vi undersøge mekanismerne bag enzymernes nedbrydning af biomasse, deres ustabilitet, samt forsøge at forudsige hvorledes vi kan fremstille mere stabile enzymer.
StatusActive
Effective start/end date01/12/202030/11/2025