Исследование показывает потенциал масличных культур для создания биопродуктов
Исследователи из Института сельского хозяйства и природных ресурсов Университета Небраски-Линкольн изучают инновационные подходы к созданию экологически чистых биопродуктов — топлива, смазочных материалов и других продуктов, заменяющих нефтехимические.
Ключевое направление — разработка новых типов растительных масел со структурой жирных кислот, позволяющей производить биоматериалы в значительных количествах. Для масштабирования производства необходимо сначала изучить ферменты и гены, ответственные за создание этих масел.
Биохимик Эд Кэхун и его коллеги добились прогресса в этом фундаментальном знании. Журнал Proceedings of the National Academy of Sciences недавно опубликовал их результаты. В работе участвовали учёные из Центра инноваций в растениеводстве и Департамента биохимии Небраски, Брукхейвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк), Университета Принца Сонгкла (Таиланд) и Хуачжунского сельскохозяйственного университета (Китай).
Проект изучал необычную жирную кислоту в тропической лиане Thunbergia. Её необычность заключается в нетрадиционных молекулярных цепях, которые придают растительным маслам новые функциональные свойства. Понимание ферментов, создающих эту кислоту, было ключевым. Благодаря своим особым свойствам, эти ферменты хорошо подходят для создания генетически модифицированных растений, богатых такой кислотой.
Например, генетически модифицированное сорго хорошо поддаётся такой модификации и является фокусом работы Кэхуна и его коллег. Модифицированная жирная кислота сорго обладает большим потенциалом для облегчения производства биотоплива и биоматериалов.
«Природа заставляет ферменты делать определённые вещи. Если мы можем учиться у растений, которые делают что-то иное, мы можем проектировать ферменты с новыми функциями», — сказал Кэхун, профессор биохимии Джорджа У. Холмса.
Такие усилия известны как белковая инженерия и основаны на понимании ферментов масличных культур и их трёхмерных структур.
Основной изучаемой необычной жирной кислотой в Thunbergia была петроселиновая кислота. Учёные обнаружили, что семена растения необычайно богаты этой кислотой, которая обладает высоким потенциалом для создания биоматериалов. Петроселиновая кислота составляла более 90% от веса семенных масел.
«Thunbergia — красивая декоративная лиана, но мы никогда не смогли бы выращивать её как культуру в Небраске. Но мы можем найти гены, которые производят необычную жирную кислоту, и затем внедрить их в сорго и масличные культуры для создания масел с более высокой стоимостью», — отметил Кэхун.
Исследование финансировалось грантом в $3.8 млн на пять лет от Центра инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов Министерства энергетики США.
Работа была разделена на три основные части:
- Кэхун, как главный исследователь, сделал первоначальное открытие чрезвычайно высокого уровня петроселиновой кислоты в семенах Thunbergia.
- Лу Ган и Киёул Парк из лаборатории Кэхуна выделили гены ферментов, которые растение использует для создания жирной кислоты. Среди них был фермент десатураза жирных кислот, который вводит двойные связи в новые места в молекулах кислот, придавая маслу новые свойства.
- Структурный биолог Кьюн Лю и биохимик Джон Шэнклин из Брукхейвенской лаборатории провели сложный анализ трёхмерной структуры фермента. Эта информация позволила спроектировать «новые» десатуразы, способные создавать мононенасыщенные жирные кислоты, не встречающиеся в природе.
Затем Ган и Парк генетически модифицировали масличную культуру камелину для производства растительных масел, богатых петроселиновой кислотой.
Кэхун давно интересуется разработкой новых масличных культур с инновационными преимуществами. Его «биопроспектинг» — поиск растений с высоким содержанием необычных жирных кислот — ранее привёл к открытию двух новых кислот в семенах китайской фиалковой кресс-салаты. Одна была названа вуханиновой кислотой, а другая — небрасканиевой кислотой, которая является отличной смазкой и в будущем может заменить нефтехимические аналоги.