Исследование клеточных стенок листьев для производства биотоплива

Исследователи изучили клеточные стенки листа циннии в нанометровом масштабе, чтобы лучше понять, как превращать растения в биотопливо.

В статье, опубликованной в журнале Plant Physiology, команда из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса под руководством Майкла Тэлена совместно с учёными из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии использовала четыре метода микроскопии для детального исследования клеток Zinnia elegans.

Листья проростков циннии — богатый источник одиночных клеток, которые можно культивировать в жидкости. В процессе культивирования эти клетки меняют форму, становясь похожими на проводящие воду трубчатые клетки — ксилему. Именно ксилемные клетки содержат основную массу целлюлозы и лигнина в растениях, которые являются ключевыми мишенями в исследованиях биотоплива.

С помощью различных методов микроскопии команда смогла визуализировать:

• Отдельные клетки в деталях
• Клеточные субструктуры
• Тонкую организацию клеточной стенки
• Химический состав отдельных клеток циннии

Исследование показало, что клетки содержат обилие лигноцеллюлозы.

Проблема и цель

Целлюлоза — это полимер сахаров, который после ферментативного расщепления можно превратить в спирты и другие химические вещества для производства альтернативного топлива. Однако для эффективного процесса необходимо преодолеть гидрофобную защиту кристаллической целлюлозы, которую обеспечивает лигнин в клеточной стенке. Эти два полимера (лигноцеллюлоза) очень устойчивы.

Трёхмерная молекулярная структура клеточной стенки растений до сих пор изучена плохо. Высокодетальное изображение поверхности растительных клеток в нанометровом масштабе вместе с данными о химическом составе может значительно улучшить понимание её молекулярной архитектуры. Такая модель критически важна для разработки новых подходов к преобразованию биомассы в жидкое топливо.

Метод и перспективы

Для создания топлива из растительной биомассы необходимо досконально понимать организацию клеточных стенок, прежде чем определять оптимальные методы их деконструкции на компоненты.

Исследователи разработали комплексный подход, позволяющий раскрыть внутреннюю структуру клеточных стенок в одиночных клетках ксилемы, которые содержат около 70% целлюлозы, пригодной для переработки в топливо.

Этот подход будет полезен для оценки реакции растительного материала на различные химические и ферментативные обработки и может ускорить текущие усилия по производству лигноцеллюлозного биотоплива.