Простое решение могло бы состоять в том, чтобы спроектировать заводы с меньшим количеством лигнина. Но предыдущие попытки сделать это часто приводило к более слабым заводам и чахлому росту по существу, помещая тормоза на производство биомассы.Теперь, разработкой новый фермент, вовлеченный в лигниновый синтез, ученых из Брукхевенской Национальной лаборатории американского Министерства энергетики и сотрудников, изменил лигнин в осинах способом, который увеличивает доступ к стандартным блокам биотоплива, не тормозя рост завода.
Их исследование, описанное по своей природе Коммуникации, привело почти к 50-процентному увеличению урожая этанола от здоровых осин, древесная биомасса которых выпустила на 62 процента более простой сахар, чем местные растения.«Наше исследование предоставляет полезную стратегию покроя древесной биомассы для биооснованных заявлений», сказал Брукхевенский Chang-июнь биолога Лю, ведущий автор на проекте.Лигнин составляет приблизительно 20 процентов древесных структур осины, с целлюлозой и полимерами гемицеллюлозы, составляющими приблизительно 45 и 25 процентов, наряду с другими незначительными компонентами.«Лигнин формирует своего рода барьер вокруг других полимеров», объяснил Лю. «Пищеварительные ферменты не могут добраться до, ломают целлюлозу и гемицеллюлозу, чтобы выпустить их простой сахар».
Предшествующая работа, включая собственные ферменты управления исследования Лю, вовлеченные в лигниновый синтез, показала, что сокращение или изменение лигнинового содержания заводов могут сделать древесную биомассу более удобоваримой. Но многие из этих подходов, особенно те, которые существенно уменьшили лигниновое содержание, привели к более слабым заводам и серьезным сокращениям урожая биомассы, отдав эти заводы, неподходящие для крупномасштабного культивирования.В этом исследовании ученые исследовали творческую новую стратегию изменения структуры лигнина на основе подробного анализа структур фермента, которые были ранее решены группой Лю, использующей рентген в National Synchrotron Light Source (NSLS)-a Офис САМКИ Научного Пользовательского Средства на Brookhaven Lab, теперь замененной намного более ярким NSLS-II.
Та работа, описанная в работах, опубликованных в Растительной клетке (2012) и Журнал Биологической Химии (2010 и 2015), была частью усилия понять механизм ферментов селективности. В тех исследованиях ученые также стремились спроектировать ряд изменений фермента, названного monolignol 4-O-methyltransferase, некоторые из которых эффективно изменили структуру лигниновых стандартных блоков, таким образом, они больше не будут включаться в лигниновый полимер.
В новой работе ученые использовали биохимические исследования, чтобы определить вариант monolignol 4-O-methyltransferase, у которого было небольшое химическое «предпочтение» реакции с одним определенным типом лигнинового предшественника. Ученые рассуждали, что у этого варианта был потенциал, чтобы снизить формирование конкретного лигнинового компонента.Чтобы проверить эту идею, они пересадили ген для этого варианта в напряжение быстрорастущей модели осин для других деревьев в семействе тополей, у которых есть широко распространенный потенциал для производства биоэнергии из-за их способности вырасти во многих регионах и на непахотной земле.
Ученые вырастили измененные осины вместе с невылеченными контрольными деревьями в оранжерее на собственности Брукхевена.Измененные клеточные стенки, больше сахараУ деревьев, которые произвели спроектированный фермент, было немного меньше полного лигнина в их клеточных стенках.
Но согласно дальнейшему анализу, ученые нашли, что эти деревья также существенно изменили лигниновую структуру со значительным сокращением уровня одного из двух главных типов лигниновых компонентов, обычно найденных в осинах. Эти результаты были далее подтверждены, используя двумерный ядерный магнитный резонанс спектроскопическое отображение командой во главе с Джоном Ральфом из Висконсинского университета и Научно-исследовательского центра Биоэнергии Великих озер, Научно-исследовательского центра Биоэнергии САМКИ. Определенно, у спроектированных деревьев был менее «неустойчивый» лигнин, в то время как остающиеся лигниновые компоненты стали структурно более сжатыми, формируя увеличенное число перекрестных связей среди полимеров.«Мы ожидали, что этот сжатый, более поперечный связанный лигнин мог бы сделать заводы еще тяжелее к обзору, но нашел, что древесина, содержащая эти структуры, выпустила до 62 процентов более простой сахар, когда отнесено пищеварительные ферменты», сказал Лю.
Урожай этанола от этого измененного леса был почти на 50 процентов выше, чем урожай этанола древесины, полученной из невылеченных контрольных деревьев.Интересно, образцами леса осины отображения, используя инфракрасный свет в NSLS, ученые нашли, что их подход для изменения лигнинового содержания и состава также увеличил производство волокон целлюлозы, основной источник способного к брожению сахара в клеточной стенке. Это увеличенное содержание целлюлозы могло бы частично способствовать увеличенному выпуску простого сахара, сказали они.
Значительно, изменения в лигнине и структурах клеточной стенки не затрагивали рост спроектированных осин. Деревянные удельные веса и урожаи биомассы были сопоставимы с теми из деревьев контроля.
«Эти данные предполагают, что само лигниновое уплотнение не критический фактор, затрагивающий удобоваримость клеточной стенки», сказал Лю. «Результаты также поддерживают идею, что разработка ферменты, которые изменяют лигниновых предшественников, представляет полезное биотехнологическое решение для того, чтобы эффективно скроить удобоваримость семьи тополя древесная биомасса, чтобы произвести сырье для промышленности для производства биотоплива.«Приятно, когда фундаментальные исследования функции фермента, такие как результаты, которые подкрепляют эту работу, могут быть переведены, чтобы способствовать решению реальных проблем», добавил он.