Учёные разработали эффективные методы превращения древесной биомассы в топливо

Увеличение производства биотоплива второго поколения — из непищевой биомассы, такой как просо прутьевидное, сорго и кукурузная солома — снизило бы нашу зависимость от сжигания ископаемого топлива.

Несколько барьеров мешали эффективному преобразованию этой биомассы. Лигнин, сложное соединение в клеточных стенках, блокирует доступ к растительным углеводам, которые можно расщепить на сахара и затем сбродить в биотопливо. Соединения, скрепляющие растительные клетки, а также их плотно упакованные кластеры также блокируют доступ к сахарам.

Теперь команда из Университета Пердью, опираясь на успех в удалении лигнина, решила другие клеточные препятствия. Их результаты, опубликованные в журналах Plant Biotechnology Journal и Biotechnology for Biofuels, открывают возможности для значительного увеличения производства возобновляемого биотоплива.

"Лигнин больше не проблема. У нас есть способ удалить его и сделать из него полезные продукты, а также получить доступ к углеводам растений для производства биотоплива", — сказал Ник Карпита, профессор кафедры ботаники и патологии растений.

Исследовательский центр C3Bio более десяти лет работал над адаптацией видов биоэнергетических культур для химического преобразования в жидкие углеводородные топлива, такие как бензин или авиационное топливо. Команда под руководством Морин Маккэнн изучила препятствия, помимо лигнина, которые необходимо преодолеть.

"Удаление лигнина не устранило всех проблем рекальцитрантности биомассы", — сказала Маккэнн. "Нам нужно было изучить факторы, которые делали древесную биомассу трудноразлагаемой помимо лигнина и в его отсутствие".

Бывший химик Пердью Махди Абу-Омар обнаружил, что использование никель-углеродного катализатора — недорогой и эффективный метод удаления лигнина без деградации углеводов растения. Однако даже после удаления лигнина команде пришлось найти способы разъединить плотно связанные растительные клетки.

Биологи растений Клинт Чаппл и Рик Мейлан разработали генетически модифицированный тополь с изменённой структурой лигнина. Лигнин состоит из трёх основных строительных блоков — монолигнолов: гваяцила (G), п-гидроксилфенола (H) и сирингила (S). Одно из деревьев содержит более 90% S-лигнина, который имеет более слабые связи с растительными углеводами.

Другие тополя были генетически модифицированы для лёгкого расщепления рамногалактуронана — пектиноподобного вещества в срединной пластинке, зоне, которая склеивает стенки растительных клеток. Мейлан и Маккэнн сверхэкспрессировали гены, контролирующие производство фермента рамногалактуронан-лиазы (RG-лиазы), который расщепляет рамногалактуронан, удаляя связи между клетками.

"Хотя рамногалактуронан составляет всего 2% массы клеточной стенки, его удаление позволяет разложить частицы биомассы на более мелкие скопления клеток, что обеспечивает реальную экономию энергии при измельчении деревьев", — сказала Маккэнн.

После удаления всего лигнина из тополя с помощью никель-углеродного катализа команда обработала частицы древесины трифторуксусной кислотой, чтобы ослабить плотно упакованную кристаллическую целлюлозу и её агрегацию в крупные пучки в клеточных стенках.

Трифторуксусная кислота вызывает набухание целлюлозы, облегчая доступ к молекулам глюкозы в клеточных стенках для сбраживания в этанол. Или, используя другие химические катализаторы, открытые командой C3Bio, целлюлозу и другие углеводы можно преобразовать в платформенные химические вещества, такие как гидроксиметилфурфурол и левулиновая кислота, которые являются субстратами или предшественниками жидких углеводородных топлив.

В настоящее время модифицированные тополя нельзя выращивать в коммерческих целях, поскольку они являются генетически модифицированными организмами. Но знания, полученные при их изучении, можно применить к другим культурам, модифицированным с помощью технологии редактирования генов CRISPR.

"Теперь мы знаем, как разбирать клеточные стенки для производства различных продуктов, включая транспортное топливо", — сказал Мейлан. "То, что мы делаем с тополем, может помочь в работе с другими целлюлозными сырьевыми материалами, полученными из остатков кукурузных стеблей, сорго или проса прутьевидного".

Карпита добавил, что биотопливо может быть основным, но не единственным продуктом.

"Это сработает для таких культур, как сорго, где можно использовать CRISPR для модификации растений с целью получения не только биотоплива, но и химических веществ из лигнина и других соединений, которые мы удаляем из клеточных стенок растений", — сказал Карпита.