Инженерные ферменты могут создать биомассу, оптимизированную для превращения в топливо и другие полезные продукты

Биологи растений из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) создали ферменты для модификации травянистых растений, чтобы их биомассу можно было эффективнее превращать в биотопливо и другие биопродукты. Как описано в статье в Plant Biotechnology Journal, эти ферменты модифицируют молекулы, составляющие клеточные стенки растений, обеспечивая доступ к сахарам, которые обычно «заперты» в сложных структурах.

Растительная биомасса полна богатых энергией сложных молекул сахаров, образующихся при фотосинтезе. Каждая растительная клетка окружена жесткой клеточной стенкой из сахаров и материала под названием лигнин, который обеспечивает структурную поддержку. Снижение содержания лигнина для доступа к сахарам было в центре исследований по использованию растений для производства топлива и других продуктов, обычно получаемых из нефти.

Почти 15 лет Чан-Джунь Лю решал эту проблему с помощью созданных ферментов — моно-лигнол-4-О-метилтрансфераз (MOMT). Эти ферменты, не существующие в природе, предназначены для изменения химической структуры монолигнолов — основных строительных блоков лигнина. Изменение структуры блоков препятствует их связыванию, что снижает содержание лигнина в растениях и делает сахара более доступными.

В предыдущей работе Лю и его коллеги успешно экспрессировали MOMT в тополях. Эти ферменты снизили содержание лигнина и позволили получить больше сахара из растений. В новом исследовании они проверили потенциал ферментов MOMT в травянистых растениях, которые дают обильный урожай биомассы.

Травы также могут расти в суровых условиях, например, на почвах с дефицитом воды или питательных веществ. Выращивание модифицированных растений в таких условиях потенциально может производить большое количество биомассы, оптимизированной для превращения в топливо и биопродукты, без конкуренции за землю, необходимую для производства продовольственных культур.

Однако клеточные стенки травянистых растений, таких как рис, которые изучались, еще более сложны по структуре и составу. Помимо сахаров и лигнина, они содержат дополнительные фенольные соединения, которые «сшивают» компоненты клеточной стенки, делая их еще прочнее и труднее для разрушения.

Меньше лигнина, больше сахаров

Для этого исследования Лю и Нидхи Двиведи выбрали две версии фермента — MOMT4 и MOMT9, каждая из которых была разработана для модификации разных субъединиц лигнина.

В сотрудничестве с коллегами из Университета Киото в Японии команда Лю провела химический анализ растений риса, модифицированных для экспрессии MOMT4 или MOMT9. Эти исследования показали, что в модифицированных растениях лигнина было меньше по сравнению с неизмененными растениями.

Коллеги из Университета Аппалачи в Северной Каролине исследовали срезы стеблей модифицированных растений с помощью сканирующей электронной микроскопии и наблюдали изменения, соответствующие химическому анализу.

Во всем стебле клеточные стенки казались тоньше. А в некоторых клетках стенки даже выглядели деформированными или изогнутыми.

При меньшем количестве лигнина в клеточных стенках ученые смогли собрать на 30% больше сахара из растений, экспрессирующих MOMT4, и на 15% больше из растений с MOMT9, по сравнению с неизмененными растениями. С помощью процесса ферментации этот сахар можно превратить в биотопливо, такое как этанол, который является распространенной добавкой для снижения содержания ископаемого топлива в бензине.

Неожиданно «неразборчивые» ферменты

Ферменты обычно нацелены только на один тип молекул. MOMT4 и MOMT9 были разработаны для воздействия на монолигнолы. Но когда Лю и его коллеги провели тесты, результаты показали, что эти созданные ферменты проявили «неразборчивость».

Помимо воздействия на монолигнолы, оба фермента действовали на другие компоненты клеточной стенки — сшивающие фенольные соединения, а также на фенольное соединение трицин, уникальный предшественник лигнина в травянистых растениях.

Когда эти ферменты экспрессировались в растениях риса, они вносили ожидаемые структурные изменения в традиционные строительные блоки лигнина, тем самым снижая общее содержание лигнина. Но, изменяя структуры сшивающих фенолов и трицина, ферменты MOMT также снижали включение этих соединений в клеточные стенки, дополнительно ослабляя их. Ученые также обнаружили накопление модифицированных фенолов в остальной растительной ткани, чего не было у неизмененных растений.

Это сильно отличалось от того, что мы наблюдали при экспрессии тех же ферментов в тополях. Более широкие эффекты экспрессии ферментов действительно удивили нас. В целом, изменения были положительными с точки зрения оптимизации выхода сахара из клеточных стенок трав. Но были и некоторые непреднамеренные эффекты.

Например, растения, экспрессирующие MOMT9, не вырастали такими высокими, как неизмененные растения, что снижало количество биомассы, из которой можно было получить сахар. Растения также не производили семян, что было бы проблемой, если ученые захотят, чтобы модифицированные растения размножались как устойчивый источник сахаров для биотоплива.

Чтобы решить эти проблемы, ученые планируют изучить методы контроля модификации лигнина в разных частях растения. Например, если удастся снизить уровень лигнина везде, кроме репродуктивных органов, можно максимизировать способность извлекать сахара, не влияя на фертильность растений.

Ученые также хотят проверить, могут ли их ферменты MOMT оптимизировать выход сахара из других видов травянистых растений.

Увидев эффективность этой ферментной технологии на рисе, мы уверены, что ее можно использовать для модификации других энергетических травяных культур, таких как сорго и бамбук.

Биотопливо — многообещающая альтернатива невозобновляемым источникам энергии. Это исследование дает представление о том, как ученые могут оптимизировать высвобождение сахара, присутствующего в клеточных стенках, преодолевая некоторые потери, происходящие с немодифицированными биомассовыми культурами.