Разблокировка лигнина для устойчивого биотоплива

Превращение деревьев, травы и другой биомассы в топливо для автомобилей и самолетов — дорогой и сложный процесс. Исследователи биотоплива стремятся это изменить, представляя будущее, в котором целлюлозный этанол, спирт, получаемый из растительных сахаров, будет так же распространен и доступен на заправках, как бензин.

Ключ к реализации этой цели — раскрытие плотно переплетенной сети молекул (целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина), составляющих клеточную стенку растений, для облегчения переработки в биотопливо.

Используя высокопроизводительные вычисления, группа исследователей из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) смоделировала на атомарном уровне известную генетическую модификацию лигнина осины. Их вывод о том, что гидрофобный (отталкивающий воду) лигнин слабее связывается с гидрофильной (притягивающей воду) гемицеллюлозой, указывает перспективный путь для создания более подходящих для биотоплива растений. Результаты опубликованы в ноябрьском выпуске 2014 года журнала Physical Chemistry Chemical Physics.

Исследование важно, потому что лигнин, критически важный для выживания растений в природе, создает проблему для производства этанола, препятствуя ферментам расщеплять целлюлозу на простые сахара для брожения.

Проектом руководил Джереми Смит, директор Центра молекулярной биофизики ORNL. Моделирование его командой генетически модифицированной молекулы лигнина, связанной с молекулой гемицеллюлозы, дает объяснение работе исследователей из Центра биоэнергетических наук DOE (BESC), которые показали, что генетическая модификация лигнина может увеличить выход биотоплива из растительного материала без ущерба для структурной целостности растения.

«Ученые BESC создали множество различных лигнинов случайным образом с помощью генетической модификации, — сказал Смит. — Они нашли тот, который сработал, но хотели понять, почему».

Для поиска ответа команда Смита использовала суперкомпьютер Titan мощностью 27 петафлопс в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF).

Модификация осины

Осины, известные быстрым ростом и адаптивностью, являются перспективными кандидатами для производства целлюлозного этанола. Однако их природная устойчивость затрудняет ферментативное расщепление — ключевой этап превращения биомассы в этанол. Это связано со строением клеточной стенки, где лигнин и гемицеллюлоза образуют плотную сеть вокруг целлюлозы.

Целлюлоза, сложный углевод из цепочек глюкозы, составляет почти половину растительной массы. Лигнин же — побочный продукт производства биотоплива, требующий дорогостоящих методов удаления. Подавив ключевой фермент циннамиловый спиртдегидрогеназу, ученые BESC создали «неполную» молекулу лигнина. Вместо гидрофильной спиртовой группы (O–H) в конечном полимере лигнина оставалась гидрофобная альдегидная группа (C=O).

«Мы хотели увидеть разницу в сети лигнин–гемицеллюлоза, если заменить притягивающие воду спирты в лигнине на отталкивающие воду альдегиды, — сказал сотрудник ORNL Лукас Петридис. — Генетики знали, что модифицированное растение легче расщепить, но у них не было атомарного объяснения, которое может дать суперкомпьютер вроде Titan».

Поиск решения с NAMD

Используя код молекулярной динамики NAMD, команда смоделировала природный и генетически модифицированный лигнин в «кубе» воды, имитируя присутствие альдегидов путем изменения парциальных зарядов атомов кислорода и водорода.

Были проведены множественные расчеты для каждой системы из 100 000 атомов на протяжении нескольких сотен наносекунд. Сравнение показало более слабое взаимодействие между гемицеллюлозой и модифицированным лигнином по сравнению с природным, что подтвердило гипотезу о меньшем связывании гидрофобного лигнина с гидрофильной гемицеллюлозой.

«Из этого можно сделать проверяемое предположение, что повышение гидрофобности лигнина может привести к созданию растений, которые легче расщеплять для биотоплива, — сказал Петридис. — Именно такие рациональные идеи мы можем предоставить с помощью компьютерного моделирования».

Проект был частью выделенных командой Смита 59 миллионов процессоро-часов на Titan в 2014 году по программе ALCC Управления передовых научных вычислений DOE (ASCR).

В дальнейшем группа Смита планирует продолжить валидацию моделирования молекулярной динамики как прогностического инструмента, смоделировав генетически модифицированную форму свитчграсса — еще одного растения-кандидата для целлюлозного этанола.

«Эта модификация немного тоньше и сложнее для моделирования, — отметил Петридис. — Следующий шаг — выяснить, насколько хорошим прогностическим инструментом может быть NAMD».