Forskere ID -enzym til fremstilling af nøgleindustrielt kemikalie i planter

Forskere, der studerer biokemien i plantecellevægge, har identificeret et enzym, der kan forvandle træagtige popeltræer til en kilde til produktion af et større industrikemikalie. Forskningen, netop udgivet i Naturplanter , kunne føre til en ny bæredygtig vej til fremstilling " s -hydroxybenzoesyre, "en kemisk byggesten, der i øjeblikket stammer fra fossile brændstoffer, i plantebiomasse.

" P -hydroxybenzoesyre er et alsidigt kemisk råstof. Det kan tjene som en byggesten til fremstilling af flydende krystaller, en blødgører af nylonharpiks, en sensibilisator til termisk papir, og en råvare til fremstilling af paraben, farvestoffer, og pigmenter, "sagde Chang-Jun Liu, en plantebiokemiker ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory og hovedforfatter på papiret.

Den globale markedsværdi af s -hydroxybenzoesyre stod på 59 millioner dollars i 2020 og forventes at nå 80 millioner dollars i 2026. Men den nuværende proces til fremstilling af dette vigtige kemikalie er afhængig af petrokemikalier. Dens syntese kræver hårde reaktionsbetingelser (høj temperatur og højt tryk) og har negative miljøpåvirkninger. At finde en økonomisk og bæredygtig måde at lave s -hydroxybenzoesyre i planter kan bidrage til at afbøde miljøpåvirkninger og bidrage til en ny bioøkonomi.

"Vi har identificeret et centralt enzym, der er ansvarligt for syntesen og akkumuleringen af s -hydroxybenzoat ( s BA) - den konjugerede base af s -hydroxybenzoesyre -i lignin, en af ​​tre store polymerer, der udgør den strukturelle støtte, der omgiver planteceller, "sagde Liu." Denne opdagelse kan gøre det muligt for os at konstruere planter til at akkumulere mere af denne kemiske byggesten i deres cellevægge, og dermed potentielt tilføre værdi til biomassen. "

Biobrændstoffer og bioprodukter

Cellevægge er fremstillet af en kombination af kædelignende polymerer - cellulose, hemicellulose, og lignin - som er den største kilde til plantebiomasse. Liu og andre forskere har undersøgt de biokemiske veje, der opbygger disse plantepolymerer. Et mål har været at forstå, hvordan ændring af blandingen af ​​polymerer kunne gøre det lettere og mere omkostningseffektivt at konvertere biomasse til biobrændstoffer.

Lignin, hvilket giver planter strukturel integritet, mekanisk styrke, og vandtætning, er særligt svært at bryde sammen. Men nyere forskning med det formål at generere celluloseethanol har drevet tekniske fremskridt og muligheder for at øge anvendelsen og derfor værdien af ​​lignin.

Forskere har vidst, at byggestenene i lignin ofte har forskellige kemiske grupper, inklusive s BA, vedhæftet som sidekæder. Den nøjagtige funktion af disse sidegrupper var ukendt. Men Lius team var interesseret i at undersøge deres indflydelse på ligninstruktur og egenskaber. Så, de satte sig for at opdage det enzym, der er ansvarligt for vedhæftning s BA til lignin.

"Hvis vi kunne identificere dette enzym, og derefter kontrollere ekspressionen af ​​genet, der laver dette enzym, vi effektivt kunne kontrollere niveauet af s BA i biomasse af bioenergiplanter, "Sagde Liu.

Søger efter genet

Forskerne gennemførte deres undersøgelse af poppel. Denne hurtigt voksende træart har rig træagtig biomasse. Det er fremstået som et lovende vedvarende råstof til biobrændsel og biobaseret kemisk produktion. Det har også s BA som den vigtigste sidekæde "dekoration" på sin lignin.

Systematisk at identificere og karakterisere det eller de enzymer, der er involveret i vedhæftning s BA eller andre kemiske grupper til lignin, Lius team screenede en række kandidatgener identificeret gennem en beslægtet genomisk undersøgelse af poppel.

"Vi klonede 20 kandidatgener, der primært udtrykkes i træagtige væv og koder for enzymer kaldet acyltransferaser. Dette er de enzymer, der sandsynligvis er involveret i overførsel af kemiske grupper til de bestemte acceptmolekyler, "Sagde Liu.

Forskerne udtrykte de enzymer, som disse gener koder for, og blandede hver enkelt med forskellige byggesten, herunder en isotopmærket carbonforbindelse. Sporing af isotopmærket og en række andre reagensglasbaserede biomolekylære teknikker tillod forskerne at overvåge, om hvert kandidatenzym var involveret i vedhæftning af sidekæder som f.eks. s BA (eller de andre kemiske grupper). De var i stand til at nulstille den mest sandsynlige kandidat til reaktionen af ​​interesse.

Fast beviser enzymets funktion i planter, imidlertid, var en formidabel opgave. Det tog forskerne mange år - og krævede fremkomsten af ​​nye fremskridt inden for molekylær biologi.

En af dem var en teknik kendt som CRISPR/Cas9, en moderne "genetisk saks", der muliggør præcis redigering af gener i en målorganismes genom. Teamet brugte CRISPR/Cas9 til at generere en poppelvariant, hvori det kandidatenzym-kodende gen var blevet slettet. Efterfølgende analyse fandt næsten ingen s BA på lignin i stængler af disse planter.

De forsøgte også en anden genetisk test ved at over-udtrykke det gen, der producerer kandidatenzymet. Disse planter akkumulerede øgede niveauer af s BA.

"Tilsammen giver disse data et afgørende bevis på, at det gen/enzym, vi har identificeret, kan vedhæfte s BA til lignin -byggestenene, "Sagde Liu.

Opstramning af planter ' s BA -indhold gennem genetisk manipulation kan være en måde at producere bæredygtigt s -hydroxybenzoesyre.

Forskerne fandt også ud af, at lignin fra planter, der var konstrueret til at akkumulere lavere pBA, var lettere at opløse i et opløsningsmiddel. Dette indebærer, at i naturen, s BA hjælper med at styrke lignin.

Derfor, et andet potentielt resultat af identifikation af enzymet til tilsætning s BA til lignin kan være genetiske strategier til at skræddersy lignins kemiske egenskaber.

Sænkning s BA kan forbedre "delignificeringen" af træagtig biomasse til processer som f.eks. Papirmasse, papirfremstilling, og biobrændstofproduktion.

Omvendt stigende s BA-niveauer på lignin kan potentielt forbedre træets holdbarhed og samtidig give en vej til langsigtet kulstofbinding ved at låse mere kulstof i plantebiomasse-et andet vigtigt DOE-mål.

"Dette arbejde er et godt eksempel på grundlæggende videnskabelig forskning, der fører til potentielt værdifulde downstream -applikationer, "sagde John Shanklin, Formand for Brookhaven Lab Biology Department.