Простым решением может быть создание установок с меньшим содержанием лигнина. Но предыдущие попытки сделать это часто приводили к ослаблению растений и задержке роста, что по сути тормозило производство биомассы.
Теперь, создав новый фермент, участвующий в синтезе лигнина, ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и сотрудники изменили лигнин в осиновых деревьях таким образом, чтобы увеличить доступ к строительным блокам биотоплива, не препятствуя росту растений. Их исследование, описанное в Nature Communications, привело к почти 50-процентному увеличению выхода этанола из здоровых осин, древесная биомасса которых высвобождает на 62 процента больше простых сахаров, чем местные растения.«Наше исследование предоставляет полезную стратегию адаптации древесной биомассы для биологических применений», — сказал биолог из Брукхейвена Чанг-Цзюнь Лю, ведущий автор проекта.
Лигнин составляет около 20 процентов древесных структур осины, а полимеры целлюлозы и гемицеллюлозы составляют примерно 45 и 25 процентов, а также другие второстепенные компоненты.«Лигнин образует своего рода барьер вокруг других полимеров», — пояснил Лю. «Пищеварительные ферменты не могут расщепить целлюлозу и гемицеллюлозу и высвободить их простые сахара».
Предыдущие работы, в том числе собственные исследования Лю по манипулированию ферментами, участвующими в синтезе лигнина, показали, что уменьшение или изменение содержания лигнина в растениях может сделать древесную биомассу более усвояемой. Но многие из этих подходов, особенно те, которые резко снижали содержание лигнина, привели к ослаблению растений и резкому снижению урожайности биомассы, что сделало эти растения непригодными для крупномасштабного выращивания.В этом исследовании ученые изучили новую творческую стратегию изменения структуры лигнина, основанную на подробном анализе структур ферментов, которые ранее были решены группой Лю с помощью рентгеновских лучей в Национальном источнике синхротронного света (NSLS) — учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США по адресу: Brookhaven Lab, теперь замененная гораздо более яркой NSLS-II.
Эта работа, описанная в статьях, опубликованных в журналах Plant Cell (2012) и Journal of Biological Chemistry (2010 и 2015), была частью попытки понять механизм избирательности ферментов. В этих исследованиях ученые также стремились разработать серию вариаций фермента, называемого монолигнол-4-O-метилтрансферазой, некоторые из которых эффективно модифицировали структуру строительных блоков лигнина, чтобы они больше не включались в полимер лигнина.В новой работе ученые использовали биохимический анализ, чтобы идентифицировать вариант монолигнол-4-O-метилтрансферазы, который имел небольшое химическое «предпочтение» к реакции с одним конкретным типом предшественника лигнина.
Ученые предположили, что этот вариант может подавлять образование определенного компонента лигнина.Чтобы проверить эту идею, они пересадили ген этого варианта в штамм быстрорастущих деревьев осины — модель для других деревьев семейства тополей, которые обладают широким потенциалом для производства биоэнергии из-за их способности расти во многих регионах и на других территориях. земли несельскохозяйственного назначения. Ученые вырастили измененные осины рядом с необработанными контрольными деревьями в теплице на территории Брукхейвена.Модифицированные клеточные стенки, больше сахара
У деревьев, которые производили сконструированный фермент, было немного меньше общего лигнина в клеточных стенках. Но при дальнейшем анализе ученые обнаружили, что у этих деревьев также резко изменилась структура лигнина со значительным снижением уровня одного из двух основных типов компонентов лигнина, обычно встречающихся в деревьях осины.
Эти результаты были дополнительно подтверждены с помощью двухмерной спектроскопической визуализации ядерного магнитного резонанса, выполненной командой под руководством Джона Ральфа из Университета Висконсина и Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер, Исследовательского центра биоэнергетики Министерства энергетики США. В частности, сконструированные деревья имели менее «лабильный» лигнин, в то время как оставшиеся компоненты лигнина стали более конденсированными по структуре, образуя повышенное количество поперечных связей между полимерами.
«Мы ожидали, что этот конденсированный, более сшитый лигнин может усложнить переваривание растений, но обнаружили, что древесина, содержащая эти структуры, высвобождает на 62% больше простых сахаров при обработке пищеварительными ферментами», — сказал Лю. Выход этанола из этой модифицированной древесины был почти на 50 процентов выше, чем выход этанола из древесины, полученной из необработанных контрольных деревьев.Интересно, что путем визуализации образцов древесины осины с использованием инфракрасного света в NSLS ученые обнаружили, что их подход к изменению содержания и состава лигнина также увеличивает производство целлюлозных волокон, основного источника ферментируемых сахаров в клеточной стенке.
По их словам, это повышенное содержание целлюлозы может частично способствовать увеличению высвобождения простых сахаров.Важно отметить, что изменения в структуре лигнина и клеточной стенки не повлияли на рост искусственно выращенных осин. Плотность древесины и урожайность биомассы были сопоставимы с таковыми у контрольных деревьев.«Эти данные предполагают, что конденсация лигнина сама по себе не является критическим фактором, влияющим на усвояемость клеточной стенки», — сказал Лю. «Полученные данные также подтверждают идею о том, что разработка ферментов, которые модифицируют предшественники лигнина, представляет собой полезное биотехнологическое решение для эффективного регулирования усвояемости древесной биомассы семейства тополей для производства сырья для производства биотоплива.
«Приятно, когда фундаментальные исследования функции ферментов, такие как результаты, лежащие в основе этой работы, могут быть переведены на решение реальных проблем», — добавил он.