Учёные создали растения с низким содержанием лигнина для улучшения производства биотоплива
Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории создали новый фермент, который эффективно «маскирует» синтетические предшественники лигнина — компонента клеточной стенки растений, который делает биомассу особенно трудной для расщепления. Экспрессия этого фермента в растениях существенно снизила содержание лигнина в клеточной стенке и повысила перевариваемость биомассы, что должно облегчить преобразование растительной биомассы в биотопливо. Исследование будет опубликовано в The Plant Cell 31 июля 2012 года.
Лигнин, как очень жёсткий ароматический полимер, препятствует доступу пищеварительных ферментов к простым сахарам целлюлозных волокон, необходимым для производства топлива. Современные промышленные методы требуют предварительной обработки биомассы для удаления лигнина, что значительно увеличивает стоимость производства биотоплива. Внедрение нового фермента в растения может существенно снизить затраты на этот этап.
Учёные впервые сконструировали свой фермент в 2009 году, модифицировав природный растительный фермент с другой функцией. Мутация двух ключевых аминокислотных сайтов в его генетическом коде позволила новому ферменту модифицировать предшественники лигнина так, чтобы предотвратить их соединение в полимер.
Однако при вставке мутировавшего фермента в растение Arabidopsis (часто используемое в экспериментах) он не сработал. Учёные использовали Национальный источник синхротронного излучения (NSLS) в Брукхейвене для определения рентгеновской кристаллической структуры фермента и обнаружили дополнительные аминокислотные мутации, которые оказали значительный эффект в растениях.
Результаты:
- Новый фермент снизил содержание лигнина в растениях Arabidopsis до 24%.
- Это привело к увеличению высвобождения сахаров из клеточной стенки на 21%.
- Эффект был достигнут без ущерба для развития растений или значительного снижения урожайности биомассы.
Следующие шаги:
- Тестирование фермента в тополях или других энергетических культурах, посвящённых Министерству энергетики США (DOE), для проверки улучшения перевариваемости биомассы.
- Дальнейшая настройка фермента для избирательного снижения одной из двух основных субъединиц лигнина — гуацила или сирингила — что может изменить структуру лигнина и облегчить процесс его удаления.
- Разработка дополнительных ферментов для точной настройки состава или структуры лигнина.
- Оценка сельскохозяйственных характеристик полученных трансгенных культур и изучение их коммерческого потенциала в качестве сырья для биотоплива.
Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США (DOE Office of Science).