Nieuw onderzoek naar de economisch meest belangrijke landbouwplant van de VS - maïs - heeft een andere interne structuur van de plant aan het licht gebracht dan eerder werd gedacht, die kan helpen optimaliseren hoe maïs wordt omgezet in ethanol.

"Onze economie is afhankelijk van ethanol, dus het is fascinerend dat we tot nu toe geen volledig en nauwkeuriger begrip hebben gehad van de moleculaire structuur van maïs, " zei LSU Department of Chemistry assistent-professor Tuo Wang, wie leidde deze studie die op 21 januari zal worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "Momenteel, bijna alle benzine bevat ongeveer 10 procent ethanol. Een derde van alle maïsproductie in de VS, dat is ongeveer 5 miljard bushels per jaar, wordt gebruikt voor de productie van ethanol. Zelfs als we de efficiëntie van de ethanolproductie eindelijk met 1 of 2 procent kunnen verbeteren, het zou een aanzienlijk voordeel kunnen opleveren voor de samenleving."

Wang en collega's zijn de eersten die een intacte stengel van een maïsplant op atomair niveau onderzoeken met behulp van technieken met hoge resolutie. Het LSU-team bestaat uit postdoctoraal onderzoeker Xue Kang en twee afgestudeerde studenten, Malitha Dickwella Widanage uit Colombo, Sri Lanka, en Alex Kirui uit Nakuru, Kenia.

Eerder werd gedacht dat cellulose, een dik en stijf complex koolhydraat dat werkt als een steiger in maïs en andere planten, rechtstreeks verbonden met een waterdicht polymeer genaamd lignine. Echter, Wang en collega's ontdekten dat lignine in een plant beperkt contact heeft met cellulose. In plaats daarvan, het stugge complexe koolhydraat, xylan genaamd, verbindt cellulose en lignine als de lijm.

Eerder werd ook gedacht dat de cellulose, lignine en xylaan moleculen worden gemengd, maar de wetenschappers ontdekten dat ze elk afzonderlijke domeinen hebben en dat deze domeinen afzonderlijke functies vervullen.

"Ik was verrast. Onze bevindingen druisen eigenlijk in tegen het leerboek, ' zei Wang.

Lignine met zijn waterdichte eigenschappen is een belangrijk structureel bestanddeel in planten. Lignine vormt ook een uitdaging voor de productie van ethanol omdat het voorkomt dat suiker in een plant wordt omgezet in ethanol. Er is veel onderzoek gedaan naar het afbreken van de plantstructuur of het kweken van beter verteerbare planten om ethanol of andere biobrandstoffen te produceren. Echter, dit onderzoek is gedaan zonder het volledige beeld van de moleculaire structuur van planten.

"Veel werk in de productiemethoden voor ethanol moet mogelijk verder worden geoptimaliseerd, maar het opent deuren voor nieuwe kansen om de manier waarop we dit waardevolle product verwerken te verbeteren, ' zei Wang.

Dit betekent dat een beter enzym of chemische stof kan worden ontworpen om de kern van de biomassa van een plant efficiënter af te breken. Deze nieuwe benaderingen kunnen ook worden toegepast op biomassa in andere planten en organismen.

Naast maïs, Wang en zijn collega's analyseerden drie andere plantensoorten:rijst, switchgrass dat ook wordt gebruikt voor de productie van biobrandstoffen en de modelplantensoort Arabidopsis, dat is een bloeiende plant gerelateerd aan kool. De wetenschappers ontdekten dat de moleculaire structuur van de vier planten vergelijkbaar is.

Ze ontdekten dit met behulp van een solid state nucleaire magnetische resonantie spectroscopie-instrument bij LSU en bij het National High Magnetic Field Laboratory van de National Science Foundation in Tallahassee, Fla. Eerdere studies die microscopen of chemische analyses gebruikten, hebben de structuur op atomair niveau van de inheemse, intacte plantencelarchitectuur. Wang en zijn collega's zijn de eersten die de moleculaire structuur van deze intacte planten direct meten.

Ze analyseren nu hout van eucalyptus, populier en spar, die ook de papierproductie en materiaalontwikkelingsindustrieën zouden kunnen helpen verbeteren.