Новый способ снижения содержания лигнина в растениях может привести к удешевлению биотоплива
Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США впервые показали, что фермент можно модифицировать для снижения содержания лигнина в растениях. Этот метод может помочь снизить стоимость преобразования биомассы в углеродно-нейтральное топливо.
Лигнин — это полимер, важный для здоровья и структуры растения. Однако он также пронизывает клеточные стенки и окружает сахара внутри них, что создаёт проблему для ферментации сахаров в полезные химикаты и топливо с помощью микробов. Для этого необходим дорогостоящий этап предварительной химической обработки для разрушения лигнина. Чем меньше лигнина в растении, тем дешевле этот этап.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Plant & Cell Physiology, учёные сосредоточились на ферменте HCT, который играет ключевую роль в синтезе лигнина. Обычно этот фермент связывается с определённой молекулой в процессе производства лигнина. Учёные выяснили, что HCT довольно неразборчив и может связываться с несколькими другими молекулами, имеющими схожую структуру.
Исследователи ввели ферменту другую молекулу, которая занимает сайт связывания, обычно занятый молекулой-предшественником лигнина. Эта замена ингибирует способность фермента поддерживать производство лигнина.
Первоначальные тесты на модельном растении показали, что этот подход снижает содержание лигнина на 30%, одновременно увеличивая производство сахара. Кроме того, метод обещает быть более «настраиваемым», чем текущий способ снижения лигнина путём «заглушения» генов, производящих лигнин. Последний метод снижает лигнин во всём растении и на протяжении всей его жизни, что ослабляет растение и снижает выход сахара.
«Наша цель — настроить процесс так, чтобы лигнин снижался в растении там, где мы этого хотим (например, в тканях, производящих толстые клеточные стенки), и тогда, когда мы этого хотим (например, на поздних стадиях развития растения)», — говорит Доминик Лок, биолог растений из Объединённого института биоэнергетики (JBEI).
Учёные начали исследование, зная, что HCT ключевой для производства лигнина и потенциально «промисскуитетен» (может связываться с различными молекулами). Чтобы проверить это, они изолировали ферменты HCT из пяти растений, представляющих 450 миллионов лет эволюции: от древнего мха до тополя, просо прутьевидного, сосны и арабидопсиса. Поместив ферменты в дрожжи и добавив набор новых молекул, они в каждом случае получили продукт, не являющийся промежуточным для лигнина.
«Это означает, что наша стратегия снижения лигнина, вероятно, применима к большинству биоэнергетических культур», — говорит Аймерик Юдс.
Затем учёные проанализировали молекулярную структуру фермента с помощью Advanced Light Source. Кристаллографические исследования белка HCT из просо прутьевидного показали, что одна из новых молекул присоединяется к ферменту на сайте, обычно занятом молекулой-предшественником лигнина, и имеет с ним схожее сродство.
«Это доказывает, что фермент принимает новый субстрат, и показывает, что между двумя молекулами существует жёсткая конкуренция», — говорит Юдс.
В финальном тесте учёные генетически модифицировали несколько растений арабидопсиса, чтобы у них было в 25 раз больше одной из новых молекул. Эти растения имели на 30% меньше лигнина и более высокую концентрацию сахаров по сравнению с немодифицированными растениями.
В дальнейшем учёные планируют выяснить, как регулировать временную и пространственную специфичность способности фермента снижать лигнин в растениях, а также продолжить изучение структур фермента, чтобы увидеть, можно ли модифицировать HCT для ещё большего притяжения к новым молекулам.