Улучшенный путь к ксилану: исследователи нашли новый доступ к обильной биомассе для продвинутых биотоплив
После целлюлозы ксилан является самым распространенным материалом биомассы на Земле и представляет огромный потенциал как источник накопленной солнечной энергии для производства продвинутых биотоплив. Однако главным препятствием было извлечение ксилана из клеточных стенок растений. Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США (DOE) сделали значительный шаг к устранению этого препятствия, идентифицировав ген в растениях риса, подавление которого улучшает как извлечение ксилана, так и общее высвобождение сахаров, необходимых для производства биотоплива.
Новый идентифицированный ген — XAX1 — делает ксилан менее извлекаемым из клеточных стенок растений. Исследователи JBEI, работая с мутантным сортом риса xax1, в котором ген XAX1 был "выключен", обнаружили, что не только ксилан стал легче извлекаться, но и сахарификация — расщепление углеводов на высвобождаемые сахара — улучшилась более чем на 60%. Повышенная сахарификация — ключ к более эффективному производству продвинутых биотоплив.
"Мы показали, что ксилан можно модифицировать для увеличения сахарификации, идентифицировав XAX1 как белок биосинтеза ксилана — первый известный фермент, специфичный для синтеза ксилана в злаках", — говорит Хенрик Шеллер, руководитель отдела сырья JBEI и группы биосинтеза клеточной стенки.
Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Соответствующим автором является Памела Рональд (JBEI и Калифорнийский университет в Дэвисе).
Потенциал продвинутых биотоплив
Как источник энергии для транспорта, продвинутые биотоплива, синтезированные из лигноцеллюлозной биомассы злаков и других непродовольственных растений, могут заменить ископаемое топливо. В отличие от этанола из кукурузы или сахарного тростника, они совместимы с современными автомобилями и инфраструктурой, являются возобновляемыми и углеродно-нейтральными.
Роль ксилана и поиск гена
Ксилан, как и целлюлоза, является основным компонентом клеточных стенок растений. Считается, что он играет важную структурную роль через сшивки с целлюлозой и лигнином, что делает стенки устойчивыми к расщеплению.
"Ксилан препятствует доступу ферментов, расщепляющих целлюлозу на сахара, и служит субстратом для сшивки с лигнином, что повышает устойчивость клеточных стенок", — поясняет Памела Рональд.
Для поиска генов, важных для биосинтеза ксилана у злаков, авторы сосредоточились на семействе гликозилтрансфераз GT61. Используя рис в качестве модельного растения, они провели скрининг 14 генов и идентифицировали мутантное растение xax1 с нефункциональным геном XAX1.
Механизм действия XAX1
"XAX1 добавляет специфический остаток ксилозы к арабинозным заместителям в цепи ксилана, что создает больше сшивок между ксиланом и лигнином, делая клеточные стенки менее пригодными для производства биотоплива", — говорит первый автор статьи Дон Чиники. — "Без функционирующего гена XAX1 сшивок с лигнином было меньше, что сделало ксилан более извлекаемым и повысило сахарификацию".
Последующие анализы показали, что у мутантов xax1 снижено содержание феруловой и кумаровой кислот — ароматических соединений, остатки которых на арабинозе способствуют сшивке цепей ксилана с лигнином.
Перспективы и следующий шаг
Недостатком мутанта xax1 стал карликовый фенотип, однако Шеллер отмечает, что его команда уже нашла способ этого избежать.
"Мы можем применить тот же принцип, чтобы сделать растения, используемые как биоэнергетические культуры, более легко сахарифицируемыми. Возможность модифицировать сшивку между ксиланом и лигнином, воздействуя на гликозилтрансферазу, дает нам потенциально важный новый биотехнологический инструмент для сырья из злаков", — заключает Шеллер.