Forskere opdager ny arkitektur i majs

Ny forskning i USA's mest økonomisk vigtige landbrugsplante - majs - har afsløret en anden indre struktur af planten end tidligere antaget, som kan hjælpe med at optimere, hvordan majs omdannes til ethanol.

"Vores økonomi er afhængig af ethanol, så det er fascinerende, at vi ikke har haft en fuldstændig og mere præcis forståelse af majs molekylære struktur før nu, " sagde LSU Institut for Kemi adjunkt Tuo Wang, der ledede denne undersøgelse, der vil blive offentliggjort den 21. januar i Naturkommunikation . "I øjeblikket, næsten al benzin indeholder omkring 10 procent ethanol. En tredjedel af al majsproduktion i USA, hvilket er omkring 5 milliarder skæpper årligt, bruges til ethanolproduktion. Selv hvis vi endelig kan forbedre ethanolproduktionseffektiviteten med 1 eller 2 procent, det kan give en betydelig fordel for samfundet."

Wang og kolleger er de første til at undersøge en intakt majsplantestilk på atomniveau ved hjælp af højopløsningsteknikker. LSU-teamet omfatter postdoc-forsker Xue Kang og to kandidatstuderende, Malitha Dickwella Widanage fra Colombo, Sri Lanka, og Alex Kirui fra Nakuru, Kenya.

Man har tidligere troet, at cellulose, et tykt og stift komplekst kulhydrat, der fungerer som et stillads i majs og andre planter, forbundet direkte til en vandtæt polymer kaldet lignin. Imidlertid, Wang og kolleger opdagede, at lignin har begrænset kontakt med cellulose inde i en plante. I stedet, det trådede komplekse kulhydrat kaldet xylan forbinder cellulose og lignin som limen.

Man har også tidligere troet, at cellulosen, lignin og xylan molekyler er blandet, men forskerne opdagede, at de hver især har separate domæner, og disse domæner udfører separate funktioner.

"Jeg var overrasket. Vores resultater går faktisk imod lærebogen, " sagde Wang.

Lignin med dets vandtætte egenskaber er en vigtig strukturel komponent i planter. Lignin udgør også en udfordring for ethanolproduktion, fordi det forhindrer sukker i at blive omdannet til ethanol i en plante. Der er lavet betydelig forskning i, hvordan man kan nedbryde plantestrukturen eller avle mere fordøjelige planter til at producere ethanol eller andre biobrændstoffer. Imidlertid, denne forskning er blevet udført uden det fulde billede af planters molekylære struktur.

"Meget arbejde i ethanolproduktionsmetoder kan have brug for yderligere optimering, men det åbner døre for nye muligheder for at forbedre den måde, vi behandler dette værdifulde produkt på, " sagde Wang.

Det betyder, at et bedre enzym eller kemikalie kan designes til mere effektivt at nedbryde kernen af ​​en plantes biomasse. Disse nye tilgange kan også anvendes på biomasser i andre planter og organismer.

Ud over majs, Wang og hans kolleger analyserede tre andre plantearter:ris, switchgrass, der også bruges til produktion af biobrændstof og modelplantearten Arabidopsis, som er en blomstrende plante relateret til kål. Forskerne fandt ud af, at den molekylære struktur blandt de fire planter ligner hinanden.

De opdagede dette ved at bruge et solid state-kernemagnetisk resonansspektroskopiinstrument på LSU og ved National Science Foundations National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Fla. Tidligere undersøgelser, der brugte mikroskoper eller kemiske analyser, har ikke vist den indfødtes struktur på atomniveau, intakt plantecellearkitektur. Wang og hans kolleger er de første til direkte at måle den molekylære struktur af disse intakte planter.

De analyserer nu træ fra eukalyptus, poppel og gran, som også kunne hjælpe med at forbedre papirproduktionen og materialeudviklingsindustrien.