Wetenschappers die de biochemie van plantencelwanden bestuderen, hebben een enzym geïdentificeerd dat houtachtige populieren kan veranderen in een bron voor de productie van een belangrijke industriële chemische stof. Het onderzoek, net gepubliceerd in Natuur Planten , zou kunnen leiden tot een nieuw duurzaam pad voor het maken van P -hydroxybenzoëzuur, " een chemische bouwsteen die momenteel wordt gewonnen uit fossiele brandstoffen, in plantaardige biomassa.

" P -hydroxybenzoëzuur is een veelzijdige chemische grondstof. Het kan dienen als bouwsteen voor het maken van vloeibare kristallen, een weekmaker van nylonhars, een sensibilisator voor thermisch papier, en een grondstof voor het maken van parabenen, kleurstoffen, en pigmenten, " zei Chang-Jun Liu, een plantenbiochemicus bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en hoofdauteur van het papier.

De wereldwijde marktwaarde van P -hydroxybenzoëzuur bedroeg in 2020 $ 59 miljoen en zal naar verwachting in 2026 $ 80 miljoen bedragen. Maar het huidige proces om deze belangrijke chemische stof te maken, is afhankelijk van petrochemicaliën. De synthese ervan vereist zware reactieomstandigheden (hoge temperatuur en hoge druk) en heeft negatieve gevolgen voor het milieu. Een economische en duurzame manier vinden om te maken P -hydroxybenzoëzuur in planten kan de milieueffecten helpen verminderen en bijdragen aan een opkomende bio-economie.

"We hebben een sleutelenzym geïdentificeerd dat verantwoordelijk is voor de synthese en accumulatie van P -hydroxybenzoaat ( P BA) - de geconjugeerde basis van P -hydroxybenzoëzuur - in lignine, een van de drie belangrijkste polymeren die de structurele ondersteuning vormen die plantencellen omringt, " zei Liu. "Deze ontdekking kan ons in staat stellen om planten zo te ontwikkelen dat ze meer van deze chemische bouwsteen in hun celwanden accumuleren, daarmee potentieel waarde toevoegen aan de biomassa."

Biobrandstoffen en bioproducten

Celwanden zijn gemaakt van een combinatie van kettingachtige polymeren - cellulose, hemicellulose, en lignine, de belangrijkste bron van plantaardige biomassa. Liu en andere wetenschappers hebben de biochemische routes onderzocht die deze plantaardige polymeren opbouwen. Een doel was om te begrijpen hoe het veranderen van de mix van polymeren het gemakkelijker en kosteneffectiever zou kunnen maken om biomassa om te zetten in biobrandstoffen.

lignine, die planten structurele integriteit geeft, mechanische kracht, en waterdicht maken, is bijzonder moeilijk af te breken. Maar recent onderzoek gericht op het genereren van cellulose-ethanol heeft geleid tot technische vooruitgang en mogelijkheden om het gebruik en dus de waarde van lignine te vergroten.

Wetenschappers weten dat de bouwstenen waaruit lignine bestaat vaak verschillende chemische groepen hebben, inclusief P BA, bevestigd als zijketens. De exacte functie van deze zijgroepen was niet bekend. Maar het team van Liu was geïnteresseerd in het onderzoeken van hun invloed op de structuur en eigenschappen van lignine. Dus, ze gingen op zoek naar het enzym dat verantwoordelijk is voor de aanhechting P BA naar lignine.

"Als we dit enzym zouden kunnen identificeren, en dan de expressie regelen van het gen dat dit enzym maakt, we zouden het niveau van effectief kunnen beheersen P BA in de biomassa van bio-energiecentrales, ' zei Liu.

Op zoek naar het gen

De wetenschappers voerden hun onderzoek uit op populier. Deze snelgroeiende boomsoort heeft een rijke houtachtige biomassa. Het heeft zich ontpopt als een veelbelovende hernieuwbare grondstof voor de productie van biobrandstoffen en biogebaseerde chemische stoffen. Het heeft ook P BA als de belangrijkste zijketen "decoratie" op zijn lignine.

Het systematisch identificeren en karakteriseren van het/de enzym(en) die betrokken zijn bij de aanhechting P BA of andere chemische groepen naar lignine, Liu's team screende een reeks kandidaatgenen die werden geïdentificeerd door middel van een verwante genomische studie van populier.

"We hebben 20 kandidaatgenen gekloond die voornamelijk tot expressie worden gebracht in houtachtige weefsels en coderen voor enzymen die acyltransferasen worden genoemd. Dit zijn de enzymen die het meest waarschijnlijk betrokken zijn bij het overbrengen van chemische groepen naar de specifieke acceptermoleculen, ' zei Liu.

De wetenschappers brachten de enzymen tot uitdrukking waarvoor deze genen coderen en mengden elk met verschillende bouwstenen, waaronder één isotoop-gelabelde koolstofverbinding. Door het isotooplabel en een reeks andere op reageerbuis gebaseerde biomoleculaire technieken te traceren, konden de wetenschappers controleren of elk kandidaat-enzym betrokken was bij het bevestigen van zijketens zoals P BA (of de andere chemische groepen). Ze konden inzoomen op de meest waarschijnlijke kandidaat voor de reactie van interesse.

De functie van het enzym in planten stevig bewijzen, echter, was een formidabele taak. Het kostte de wetenschappers vele jaren - en vereiste de opkomst van nieuwe ontwikkelingen in de moleculaire biologie.

Een daarvan was een techniek die bekend staat als CRISPR/Cas9, een moderne "genetische schaar" die nauwkeurige bewerking van genen in het genoom van een doelorganisme mogelijk maakt. Het team gebruikte CRISPR/Cas9 om een ​​populiervariant te genereren waarin het kandidaat-enzym-coderende gen was verwijderd. Daaropvolgende analyse vond bijna geen P BA op de lignine in stengels van deze planten.

Ze probeerden ook een andere genetische test door het gen dat het kandidaat-enzym produceert tot overexpressie te brengen. Die planten verzamelden verhoogde niveaus van P BA.

"Samen leveren deze gegevens het overtuigende bewijs dat het gen/enzym dat we hebben geïdentificeerd zich kan hechten" P BA naar de ligninebouwstenen, ' zei Liu.

Planten opvoeren' P BA-inhoud door genetische manipulatie kan een manier zijn om duurzaam te produceren P -hydroxybenzoëzuur.

De wetenschappers ontdekten ook dat lignine van planten die waren ontworpen om een ​​lagere pBA te accumuleren, gemakkelijker op te lossen was in een oplosmiddel. Dit betekent dat, in de natuur, P BA helpt om lignine te versterken.

Daarom, een ander potentieel resultaat van het identificeren van het enzym voor toevoeging P BA tegen lignine kunnen genetische strategieën zijn om de chemische eigenschappen van lignine aan te passen.

verlagen P BA zou de "delignificatie" van houtachtige biomassa kunnen verbeteren voor processen zoals verpulpen, papier maken, en productie van biobrandstoffen.

Omgekeerd, toenemend P BA-niveaus op lignine zouden mogelijk de duurzaamheid van hout kunnen verbeteren en tegelijkertijd een weg kunnen bieden voor koolstofvastlegging op de lange termijn door meer koolstof op te slaan in plantaardige biomassa - een ander belangrijk DOE-doel.

"Dit werk is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek dat leidt tot potentieel waardevolle downstream-toepassingen, " zei John Shanklin, Voorzitter van de afdeling Biologie van Brookhaven Lab.