Учёные нашли генетический путь для лучшей переработки биотоплива
Исследователи из Центра инноваций в биоэнергетике (CBI) в Национальной лаборатории Ок-Ридж обнаружили путь, который способствует образованию в растениях особого типа лигнина, что может упростить и удешевить переработку сельскохозяйственных культур для производства таких продуктов, как устойчивое авиационное топливо.
Учёные сосредоточились на C-лигнине — полимере в семенных оболочках некоторых экзотических растений. Лигнин, придающий растениям жёсткость, является хорошим источником строительных блоков и ароматических соединений для производства чистых биотоплив. Однако лигнин трудно перерабатывать, особенно более распространённые G- и S-лигнины.
C-лигнин имеет более линейную химическую структуру, что облегчает его деконструкцию. Учёные CBI, центра биоэнергетических исследований Министерства энергетики США, определили генетический механизм образования этого предпочтительного C-лигнина, как описано в Science Advances. Цель — создать биоэнергетические культуры, которые будут образовывать C-лигнин, подавляя рост G/S-лигнинов, что может привести к более доступной и высокодоходной биопереработке.
«G/S-лигнины образуют полимерные структуры, похожие на рыболовную сеть с узлами, в то время как C-лигнин больше похож на верёвку», — пояснил Джерри Таскан, исполнительный директор CBI. «Легче представить, что разобрать сеть сложнее, чем распутать верёвку».
В дальнейшем исследователи хотят внедрить этот полимер в основные сырьевые культуры — тополя и просо прутьевидное, чтобы облегчить разрушение их клеточных стенок для преобразования в устойчивое авиационное топливо.
Учёные наблюдают полное переключение на C-лигнин
Изучая клеому (паучье растение), Чунлю Чжо, постдок из Университета Северного Техаса (UNT), сделал новое открытие. Клеома производит G-лигнин в семенных оболочках примерно первые 12–14 дней после опыления, а затем полностью переключается на производство только C-лигнина.
«Вы могли бы предположить, что клеома в какой-то момент может производить смешанный GC-лигнин. Но этого не происходит. Переключение полное», — отметил Ричард Диксон, профессор биологических наук UNT.
Команда под руководством Тима Тшаплински в ORNL провела молекулярный анализ образования C-лигнина. Учёные обнаружили, что строительные блоки для обоих типов лигнина присутствуют в растениях, но они не соединяются в полимерные цепи. Они «плавают» в клетках, но не связываются для образования G/C-лигнина.
«Мы были удивлены, обнаружив, что даже на поздних стадиях развития, когда не образуется G-лигнин, в клетках всё ещё присутствует большое количество G-строительных блоков. Это заставило нас задуматься, как растение этого добивается», — сказал Чжо.
Поскольку переключение происходит внезапно и полностью, исследователи теперь полагают, что процесс намного проще, чем считалось ранее. «Раз это происходит сразу, и C-лигнин недавно эволюционировал у многих видов растений, значит, механизм должен быть простым», — сказал Диксон.
«Чунлю обнаружил, что как только растение начинает производить C-строительные блоки, преобразование G-строительных блоков в лигнин ингибируется».
Открытие приближает создание улучшенных биомассовых культур
Исследователи полагают, что строительные блоки C-лигнина препятствуют образованию цепей, содержащих G-блоки. Понимание этого механизма приближает учёных к созданию культур с преимущественно C-лигнином. Если процесс настолько прост, то его генетическая инженерия может быть проще, чем ожидалось. Потребуется только ввести гены, включающие синтез C-лигнина, а не одновременно включать его и подавлять G-лигнин.
«Это открытие говорит нам о том, чего нам не нужно делать — о чём не нужно беспокоиться», — отметил Диксон.
«До этого открытия C-лигнин рассматривался как незначительный компонент более крупных молекул лигнина в клеточных стенках растений», — сказал Таскан. «Теперь, внедряя C-лигнин в клеточные стенки, мы можем снизить энергозатраты на процесс деконструкции. Эта работа — один из шагов к экономически жизнеспособной биоэкономике».