Инструмент для анализа биомассы стал быстрее и точнее
Новый инструмент высокопроизводительного аналитического пиролиза (HTAP) от Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США значительно ускоряет и упрощает одну из самых сложных задач в биоэнергетике: определение химического состава клеточной стенки растений для поиска идеальных генов.
HTAP может тщательно проанализировать сотни образцов биомассы в день и дать раннюю оценку наиболее перспективных генотипов. Анализ образца, который раньше занимал две недели, теперь выполняется за две минуты. Это может изменить правила игры для питомников деревьев и индустрии биомассы.
При производстве топлива из деревьев, сельскохозяйственных культур, трав или водорослей всё зависит от клеточных стенок растений. Насколько легко ферментам будет превращать биомассу в сахара? Различия в клеточных стенках огромны, и правильный выбор может означать разницу между прибылью и убытком для лесоводов или между успешной и неудачной линией сырья для биоэнергетических компаний.
Инструмент может определить фенотипы
Традиционная стратегия представляла собой многоступенчатый подход с растворением образца и хроматографическим анализом, который разрушал образец (требовалось 10 грамм).
NREL разработал подход с использованием пиролиза — анализа пара от образцов, полученного под действием тепла в отсутствие кислорода. Пиролиз также разрушает образец, но он крошечный — 4 миллиграмма для подхода HTAP.
Разница в интенсивности сигнала идентифицирует генетические модификации
Лигнин в растении важен для его развития и устойчивости к насекомым, но он может мешать ферментам получать доступ к сахарам, запертым в углеводах. Нагревание лигнина в отсутствие кислорода (пиролиз) расщепляет его на более мелкие фрагменты, которые может прочитать молекулярно-лучевой масс-спектрометр.
Соотношение лигнина к углеводным компонентам вместе с интенсивностью пиков лигнина может сказать учёному, насколько легко растение отдаст свои сахара.
HTAP интегрирует молекулярно-лучевой масс-спектрометр с пиролизной установкой для быстрого определения химических сигнатур (фенотипов) на малых количествах биомассы. Образцы попадают в печь, где пиролиз создаёт пар, который считывается масс-спектрометром — получается химический отпечаток пальца. Автоподатчик быстро перемещает образцы, позволяя проводить измерения каждые пару минут.
Марк Дэвис, главный исследователь проекта HTAP в NREL, отмечает, что HTAP может потенциально снизить количество энергии, необходимое для производства этанола.
Инструмент NREL сочетает точность и скорость
NREL смог сказать компании ArborGen, одному из крупнейших поставщиков саженцев деревьев в стране, что один образец имеет, например, вдвое меньше лигнина, чем другой. «Мы предоставляли им информацию за неделю, на получение которой в другом месте у них уходил месяц или два», — сказал Дэвис. «Мало того, мы получали лучшую информацию, большую химическую специфичность и разрешение, чем они видели раньше».
Взрывной спрос на быстрое тестирование
Раньше на анализ образцов от 250 деревьев уходила неделя. «Мы делали всё вручную в нагретой печи», — сказал Дэвис. «Один человек стоял там целый день, подавая образцы».
NREL использовал внутренние средства для покупки автоподатчика — последнего элемента для объединения автоматизации, пиролиза, спектрометрии и скорости. Партнёрами проекта являются Extrel CMS (разработка масс-спектрометра) и Frontier Laboratories (пиролизный прибор).
Спектрометр считывает химические «отпечатки пальцев» образцов
Показания спектрометра переводятся в графики, показывающие отдельные пики — легко идентифицируемые фенотипы, по которым учёные могут получить информацию о клеточных стенках.
«HTAP предоставляет информацию, которая в сочетании с другой генетической информацией говорит нам, что где-то на этой хромосоме есть ген, контролирующий химию клеточной стенки растения», — объясняет Дэвис. «Наши партнёры имеют генетические маркеры для 1000 деревьев и могут точно определить ген, который влияет на содержание лигнина, целлюлозы или другой фактор, влияющий на рекальцитрантность (сопротивление растения отдаче своих структурных сахаров)».
Данные о химическом составе усредняются и генерируются в реальном времени. Например, соотношение двух типов лигнина — гваякола и сирингола (G и S) — многое говорит о том, насколько сложно ферментам будет добраться до целлюлозы в конкретном растении.
«За четыре минуты вы можете посмотреть на спектр и увидеть, что этот образец уменьшает лигнин вдвое — потому что соотношение S к G изменилось в два раза», — говорит Дэвис. В то же время автоподатчик уже поместил следующий образец и готов к третьему. «Это информация, для получения которой до этого требовалось два человека и две недели».
Скорость анализа HTAP создала новый нишевый рынок для крошечных чашек, расположенных на подносах для образцов. «Люди присылают нам тысячи образцов за раз», — говорит Дэвис. Быстрая отправка чашек и образцов туда и обратно резко сократила стоимость одного из самых дорогих этапов процесса: подготовки проб.
Инструмент может обнаруживать минимальные различия
HTAP продемонстрировал исключительную способность к различению. Производители могут определить, что некоторые из внешне идентичных деревьев на самом деле немного отличаются.
«Мы уже определили фенотипы десятков тысяч образцов», — сказал Дэвис. «Инструмент обеспечивает детальное сравнение сотен образцов в день. Любой тип сырья из биомассы, используемый для серьёзного производства биотоплива — скорее всего, мы его тестировали».