Инженерная модификация клеточных стенок растений повышает выход сахаров для биотоплива

Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США сделали важный шаг к удешевлению производства биотоплива. Они использовали инструменты синтетической биологии, чтобы изменить клеточные стенки растений, сделав содержащиеся в них сахара более доступными.

Проблема лигнина

Растительная биомасса — самый распространенный органический материал на Земле. Однако сложные полисахаридные сахара в клеточных стенках растений "заперты" в прочном ароматическом полимере — лигнине. Чтобы высвободить эти сахара, требуются дорогие химикаты и высокие температуры, что делает производство продвинутых биотоплив экономически невыгодным.

"Лигнин — основной фактор, затрудняющий переработку клеточных стенок", — говорит Доминик Лок, руководитель программы инженерии клеточных стенок в JBEI.

Попытки просто уменьшить содержание лигнина в растениях обычно приводили к снижению урожайности биомассы и потере целостности сосудов — тканей, отвечающих за распределение воды и питательных веществ.

Решение: перепрограммирование биосинтеза

Чтобы решить эту проблему, команда Лока перепрограммировала регуляцию биосинтеза лигнина. Они создали искусственную петлю положительной обратной связи (APFL), чтобы усилить биосинтез вторичных клеточных стенок в специфической ткани.

Используя модельное растение Arabidopsis, исследователи:

• Снизили производство лигнина.
• Увеличили отложение полисахаридов в клеточных стенках.
• Сохранили здоровье растений и целостность сосудов.

Результаты

После предварительной обработки генетически модифицированные растения показали улучшенный выход сахаров при ферментативном гидролизе по сравнению с дикими типами.

"Мы накопили нужный материал — полисахариды — без того, чтобы испортить его лигнином", — поясняет Лок.

Перспективы

Ученые считают, что их стратегия APFL может быть быстро внедрена и в другие виды сосудистых растений. Это может принести пользу не только для производства биотоплива, но и для целлюлозно-бумажной промышленности, производства кормов, а также для увеличения прочности соломы злаков.

"Теперь мы знаем, что можем значительно перепроектировать клеточные стенки растений, если сохраним целостность сосудов и других ключевых тканей", — заключает Лок.