باز کردن قند برای تولید سوخت های زیستی و محصولات زیستی

خبرگزاري آريا – UPTON، NY – زيست شناسان گياهي در آزمايشگاه ملي Brookhaven وزارت انرژي ايالات متحده، آنزيم هايي را براي اصلاح گياهان چمن مهندسي کرده اند تا زيست توده آن ها به طور کارآمدتر به تبديل شود. سوخت های زیستی و دیگر محصولات زیستی. همانطور که در a مقاله به تازگی منتشر شده در مجله بیوتکنولوژی گیاهی، این آنزیم‌ها مولکول‌هایی را که دیواره‌های سلولی گیاهی را تشکیل می‌دهند تغییر می‌دهند تا دسترسی به قندهای مولد سوخت را که معمولاً در ساختارهای پیچیده قفل شده‌اند، فراهم کنند.

چانگ جون لیو، زیست شناس ارشد گیاهی در آزمایشگاه بروکهاون که این مطالعه را رهبری می کرد، گفت: مفهوم تبدیل زیست توده به سوخت زیستی ساده به نظر می رسد، اما از نظر فنی آزاد کردن قندها بسیار دشوار است.

زیست توده گیاهی مملو از مولکول های قند پیچیده غنی از انرژی است که توسط فتوسنتز تولید می شود. هر سلول گیاهی توسط یک دیواره سلولی سخت ساخته شده از قندها و ماده ای به نام لیگنین احاطه شده است که پشتیبانی ساختاری را فراهم می کند. کاهش لیگنین برای دستیابی به قندها، تمرکز تحقیقاتی است که با هدف استفاده از گیاهان برای تولید سوخت و سایر محصولات، معمولاً از نفت تولید می‌شوند.

برای نزدیک به 15 سال، لیو با استفاده از آنزیم های مهندسی شده به نام monolignol 4- با این مشکل مقابله کرد.Oمتیل ترانسفرازها (MOMTs). این آنزیم ها که در طبیعت وجود ندارند، برای تغییر ساختار شیمیایی مونولیگنول ها – بلوک های اصلی سازنده لیگنین – طراحی شده اند. تغییر ساختار بلوک های ساختمانی اجازه اتصال به آنها را نمی دهد، که باعث کاهش محتوای لیگنین گیاهان می شود و قندها را بیشتر در دسترس قرار می دهد.

در کارهای قبلی، لیو و همکارانش MOMT ها را با موفقیت در درختان صنوبر بیان کرد. این آنزیم ها محتوای لیگنین درختان را کاهش می دهند و اجازه می دهند قند بیشتری از گیاهان آزاد شود. در مطالعه جدید، آن ها کاربردهای بالقوه آنزیم های MOMT را در گیاهان چمنی که عملکرد زیست توده فراوانی دارند، آزمایش کردند. علف ها همچنین می توانند در شرایط سخت، مانند خاک های فاقد آب یا مواد مغذی، رشد کنند. کشت گیاهان مهندسی شده در چنین محیطی به طور بالقوه می تواند مقادیر زیادی از زیست توده بهینه شده برای تبدیل به سوخت و محصولات زیستی تولید کند – بدون رقابت برای زمین مورد نیاز برای تولید محصولات غذایی.

Nidhi Dwivedi، یکی از همکاران تحقیقاتی Brookhaven Lab و نویسنده اصلی مقاله جدید، توضیح داد: «با این حال، دیواره‌های سلولی گیاهان چمن، مانند دیواره‌های گیاهان برنجی که ما مورد مطالعه قرار دادیم، از نظر ساختار و ترکیب پیچیده‌تر هستند.» علاوه بر قند و لیگنین، دیواره‌های سلولی گیاهان چمن حاوی ترکیبات فنلی دیگری نیز هستند که اجزای دیواره سلولی را “پیوند” می‌کنند و باعث می‌شود آنها حتی قوی‌تر و سخت‌تر تجزیه شوند.

لیو خاطرنشان کرد: «پیچیدگی دیواره‌های سلولی گیاهان چمن ما را به این فکر انداخت که آیا آنزیم‌های ما بازیابی قند را بهبود می‌بخشد یا خیر. ما می خواستیم بدانیم که آیا MOMT ها می توانند دیواره سلولی چمن را به گونه ای تغییر دهند که دسترسی به زیست توده را فراهم کند.

لیگنین کمتر، قند بیشتر

لیو و دوویدی تصمیم گرفتند برای این مطالعه روی دو نسخه از آنزیم متمرکز شوند – MOMT4 و MOMT9 – که هر کدام برای تغییر زیرواحد لیگنین متفاوت طراحی شده بودند.

تیم لیو با همکاری با همکاران دانشگاه کیوتو در ژاپن، آنالیزهای شیمیایی روی گیاهان برنج مهندسی شده برای بیان MOMT4 یا MOMT9 انجام داد. این مطالعات نشان می دهد که لیگنین کمتری در گیاهان چمن اصلاح شده در مقایسه با گیاهان اصلاح نشده وجود دارد. همکاران در دانشگاه ایالتی آپالاچیان در کارولینای شمالی بخش هایی از ساقه های اصلاح شده گیاه را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی کردند و تغییراتی را مشاهده کردند که با آنالیزهای شیمیایی سازگار بود.

دوویدی گفت: “در سرتاسر ساقه، دیواره های سلولی نازک تر به نظر می رسید.” و در برخی از سلول ها، دیوارها حتی تغییر شکل یا خمیده به نظر می رسیدند.

با وجود لیگنین کمتر در دیواره های سلولی، دانشمندان توانستند تا 30 درصد قند بیشتری را از گیاهانی که MOMT4 بیان می کنند و تا 15 درصد قند بیشتری را در گیاهانی که MOMT9 بیان می کنند در مقایسه با گیاهان بدون تغییر برداشت کنند. از طریق فرآیندی به نام تخمیر، این قند می تواند به سوخت های زیستی مانند اتانول تبدیل شود، که یک افزودنی رایج برای کاهش محتوای سوخت فسیلی بنزین است.

آنزیم‌هایی که به طرز شگفت‌انگیزی ناسازگار هستند

آنزیم ها – مولکول هایی که معمولا واکنش های شیمیایی را تسهیل می کنند – معمولاً فقط یک نوع مولکول را هدف قرار می دهند. MOMT4 و MOMT9 برای عمل بر روی مونولینول ها طراحی شده اند. اما زمانی که لیو و همکارانش آزمایش هایی را روی این آنزیم ها انجام دادند، نتایج نشان داد که این آنزیم های مهندسی شده «بی بند و باری» را نشان می دهند. علاوه بر اثر بر روی مونولیگنول ها، هر دو MOMT بر روی سایر اجزای دیواره سلولی – فنل های پیوند متقابل و همچنین فنلی به نام تریسین، که یک پیش ساز لیگنین منحصر به فرد برای گیاهان چمن است، عمل می کنند.

هنگامی که این آنزیم ها در گیاهان برنج بیان می شوند، تغییرات ساختاری مورد انتظار را در بلوک های سازنده سنتی لیگنین ایجاد می کنند و در نتیجه محتوای لیگنین کل گیاهان را کاهش می دهند. اما با تغییر ساختار فنل‌های پیوند متقابل و تریسین، MOMT‌ها ادغام این ترکیبات را در دیواره‌های سلولی کاهش می‌دهند و آنها را بیشتر تضعیف می‌کنند. دانشمندان همچنین انباشته ای از فنولیک های اصلاح شده را در بقیه بافت گیاه پیدا کردند که در گیاهان اصلاح نشده وجود نداشت.

لیو خاطرنشان کرد: «این کاملاً با آنچه ما دیدیم، زمانی که همان آنزیم‌ها را در درختان صنوبر بیان کردیم، تفاوت داشت. «اثرات گسترده‌تر بیان آنزیم‌ها واقعاً ما را شگفت‌زده کرد. به طور کلی، تغییرات از نظر بهینه سازی استخراج قند از دیواره سلولی چمن مثبت است. اما برخی از اثرات ناخواسته نیز وجود داشت.

به عنوان مثال، گیاهان بیان کننده MOMT9 به اندازه گیاهان بدون تغییر رشد نمی کنند و میزان زیست توده ای را که می توان از آن به شکر دسترسی داشت کاهش می دهد. این گیاهان همچنین نتوانستند دانه تولید کنند، که اگر دانشمندان بخواهند گیاهان اصلاح شده به عنوان منبع پایدار قند برای سوخت های زیستی تکثیر شوند، مشکل ساز خواهد شد.

برای مقابله با این چالش ها، دانشمندان قصد دارند روش هایی را برای کنترل چگونگی اصلاح لیگنین در قسمت های مختلف گیاه کشف کنند. برای مثال، اگر دانشمندان بتوانند سطح لیگنین را در هر جایی از گیاه به جز اندام‌های تولید مثلی کاهش دهند، می‌توانند توانایی استخراج قندها را بدون تأثیر بر باروری گیاه به حداکثر برسانند.

دانشمندان همچنین می‌خواهند ببینند که آیا آنزیم‌های MOMT آن‌ها می‌تواند بازده قند سایر انواع گیاهان علفی را بهینه کند یا خیر.

لیو گفت: “با مشاهده اثربخشی این فناوری آنزیمی در برنج، ما مطمئن هستیم که می توان از آن برای اصلاح سایر محصولات انرژی زای علف مانند سورگوم و بامبو استفاده کرد.”

دوویدی افزود: «سوخت‌های زیستی جایگزین امیدوارکننده‌ای برای منابع انرژی تجدیدناپذیر هستند.» این مطالعه بینشی را در مورد اینکه چگونه دانشمندان می‌توانند آزادسازی قندهای موجود در دیواره‌های سلولی را بهینه کنند، در نتیجه بر برخی از ضایعاتی که با محصولات اصلاح‌نشده از محصولات زراعی به وجود می‌آیند غلبه می‌کنند، ارائه می‌کند. زیست توده.”

این کار در درجه اول توسط دفتر علوم DOE تامین مالی شد.

آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Science.energy.gov.

BrookhavenLab@ را در رسانه های اجتماعی دنبال کنید. ما را در پیدا کنید اینستاگرام، لینکدین، توییترو فیس بوک.