Bäume mit verändertem Lignin sind besser für Biokraftstoffe, wie die Studie zeigt: Eine grundlegende Enzymstudie führt zu einem besseren Zugang zu Bioenergie-Rohstoffen und verbessert die Ethanolausbeute durch Modifizierung der Zellwandstrukturen von Pflanzen | 2020

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Anonim

Eine einfache Lösung könnte darin bestehen, Anlagen mit weniger Lignin zu konstruieren. Bisherige Versuche dazu haben jedoch häufig zu schwächeren Pflanzen und Wachstumsstörungen geführt, die die Biomasseproduktion wesentlich bremsen.

Jetzt haben Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und Mitarbeiter durch die Entwicklung eines neuartigen Enzyms für die Ligninsynthese das Lignin in Espenbäumen so verändert, dass der Zugang zu Biokraftstoffbausteinen verbessert wird, ohne das Pflanzenwachstum zu hemmen. Ihre Forschung, beschrieben in Naturkommunikation führte zu einer fast 50-prozentigen Steigerung des Ethanolertrags bei gesunden Espenbäumen, deren holzige Biomasse 62 Prozent mehr einfachen Zucker als einheimische Pflanzen freisetzte.

"Unsere Studie bietet eine nützliche Strategie für die Anpassung von Holzbiomasse für biobasierte Anwendungen", sagte Chang-Jun Liu, der leitende Autor des Projekts in Brookhaven.

Lignin macht etwa 20 Prozent der Holzstrukturen von Espen aus, Cellulose- und Hemicellulosepolymere etwa 45 und 25 Prozent, zusammen mit anderen Nebenbestandteilen.

"Das Lignin bildet eine Art Barriere um die anderen Polymere", erklärte Liu. "Verdauungsenzyme können nicht durchkommen, um die Cellulose und Hemicellulose abzubauen und ihren einfachen Zucker freizusetzen."

Frühere Arbeiten, einschließlich Lius eigener Untersuchungen zur Manipulation von Enzymen, die an der Ligninsynthese beteiligt sind, haben gezeigt, dass die Verringerung oder Veränderung des Ligningehalts von Pflanzen die Verdaulichkeit von Holzbiomasse verbessern kann. Viele dieser Ansätze, insbesondere solche, die den Ligningehalt drastisch verringerten, führten zu schwächeren Pflanzen und einer starken Verringerung des Biomasseertrags, so dass diese Pflanzen für den Anbau in großem Maßstab ungeeignet waren.

In dieser Studie untersuchten die Wissenschaftler eine kreative neue Strategie zur Modifizierung der Ligninstruktur auf der Grundlage einer detaillierten Analyse von Enzymstrukturen, die zuvor von Lius Gruppe unter Verwendung von Röntgenstrahlen an der National Synchrotron Light Source (NSLS) - einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science - gelöst wurden Brookhaven Lab, jetzt ersetzt durch einen viel helleren NSLS-II. Diese Arbeit, die in Veröffentlichungen in Plant Cell (2012) und im Journal of Biological Chemistry (2010 und 2015) beschrieben wurde, war Teil der Bemühungen, den Selektivitätsmechanismus der Enzyme zu verstehen. In diesen Studien versuchten die Wissenschaftler auch, eine Reihe von Variationen des Enzyms namens Monolignol-4-O-methyltransferase zu konstruieren, von denen einige die Struktur der Lignin-Bausteine ​​effektiv modifizierten, sodass sie nicht mehr in das Lignin-Polymer eingebaut werden konnten.

In der neuen Arbeit verwendeten die Wissenschaftler biochemische Analysen, um eine Variante der Monolignol-4-O-methyltransferase zu identifizieren, die eine leichte chemische "Präferenz" für die Reaktion mit einem bestimmten Typ von Ligninvorläufer aufwies. Die Wissenschaftler vermuteten, dass diese Variante die Bildung einer bestimmten Ligninkomponente hemmen könnte.

Um diese Idee zu testen, verpflanzten sie das Gen für diese Variante in einen Stamm schnell wachsender Espenbäume - ein Modell für andere Bäume der Pappelfamilie, die aufgrund ihrer Fähigkeit, in vielen Regionen und weiter zu wachsen, ein weit verbreitetes Potenzial für die Bioenergieproduktion haben Nichtlandwirtschaftliches Land. Die Wissenschaftler züchteten die veränderten Espenbäume neben unbehandelten Kontrollbäumen in einem Gewächshaus auf dem Grundstück von Brookhaven.

Modifizierte Zellwände, mehr Zucker

Die Bäume, die das gentechnisch veränderte Enzym produzierten, hatten etwas weniger Gesamtlignin in ihren Zellwänden.Bei einer weiteren Analyse stellten die Wissenschaftler jedoch fest, dass diese Bäume auch die Ligninstruktur dramatisch verändert hatten, mit einer signifikanten Verringerung des Gehalts an einer der beiden Hauptarten von Lignin-Komponenten, die normalerweise in Espenbäumen zu finden sind. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung der zweidimensionalen Kernspinresonanzspektroskopie von einem Team unter der Leitung von John Ralph von der University of Wisconsin und dem Bioenergie-Forschungszentrum der Great Lakes, einem DOE-Bioenergie-Forschungszentrum, bestätigt. Insbesondere hatten die manipulierten Bäume weniger "labiles" Lignin, während die verbleibenden Ligninkomponenten strukturell stärker kondensierten und eine erhöhte Anzahl von Vernetzungen zwischen den Polymeren bildeten.

"Wir haben erwartet, dass dieses kondensierte, stärker vernetzte Lignin die Pflanzen noch schwerer verdaulich macht. Wir haben jedoch festgestellt, dass Holz mit diesen Strukturen bis zu 62 Prozent einfacheren Zucker freisetzt, wenn es mit Verdauungsenzymen behandelt wird", sagte Liu. Die Ethanolausbeute aus diesem modifizierten Holz war fast 50% höher als die Ethanolausbeute aus unbehandelten Kontrollbäumen.

Interessanterweise stellten die Wissenschaftler bei der Abbildung von Espenholzproben mit Infrarotlicht bei NSLS fest, dass ihr Ansatz zur Änderung des Ligningehalts und der Zusammensetzung auch die Produktion von Zellulosefasern steigerte, der Hauptquelle fermentierbarer Zucker in der Zellwand. Dieser erhöhte Cellulosegehalt könnte teilweise zur erhöhten Freisetzung von einfachen Zuckern beitragen, sagten sie.

Wichtig ist, dass die Veränderungen der Lignin- und Zellwandstrukturen das Wachstum der technischen Espen nicht beeinflussten. Die Holzdichten und die Biomasseerträge waren mit denen der Kontrollbäume vergleichbar.

"Diese Daten legen nahe, dass die Ligninkondensation selbst kein kritischer Faktor für die Verdaulichkeit der Zellwand ist", sagte Liu. "Die Ergebnisse stützen auch die Idee, dass das Engineering der Enzyme, die Ligninvorläufer modifizieren, eine nützliche biotechnologische Lösung darstellt, um die Verdaulichkeit von holziger Biomasse der Pappelfamilie zur Erzeugung von Ausgangsstoffen für die Herstellung von Biokraftstoffen effektiv anzupassen.

"Es ist erfreulich, wenn grundlegende Studien zur Enzymfunktion, wie die Erkenntnisse, die diese Arbeit untermauern, übersetzt werden können, um zur Lösung von Problemen in der Praxis beizutragen", fügte er hinzu.