Ny forskning om USA:s ekonomiskt viktigaste jordbruksväxt — majs — har avslöjat en annan inre struktur hos växten än man tidigare trott, som kan hjälpa till att optimera hur majs omvandlas till etanol.

"Vår ekonomi är beroende av etanol, så det är fascinerande att vi inte har haft en fullständig och mer exakt förståelse av majs molekylära struktur förrän nu, " sa LSU Institutionen för kemi biträdande professor Tuo Wang, som ledde denna studie som kommer att publiceras den 21 januari i Naturkommunikation . "För närvarande, nästan all bensin innehåller cirka 10 procent etanol. En tredjedel av all majsproduktion i USA, vilket är cirka 5 miljarder bushels årligen, används för etanoltillverkning. Även om vi äntligen kan förbättra effektiviteten i etanolproduktionen med 1 eller 2 procent, det skulle kunna ge en betydande fördel för samhället."

Wang och kollegor är de första att undersöka en intakt majsväxtstjälk på atomnivå med hjälp av högupplösta tekniker. I LSU-teamet ingår postdoktor Xue Kang och två doktorander, Malitha Dickwella Widanage från Colombo, Sri Lanka, och Alex Kirui från Nakuru, Kenya.

Man har tidigare trott att cellulosa, en tjock och stel komplex kolhydrat som fungerar som en ställning i majs och andra växter, ansluten direkt till en vattentät polymer som kallas lignin. Dock, Wang och kollegor upptäckte att lignin har begränsad kontakt med cellulosa inuti en växt. Istället, den trådiga komplexa kolhydraten som kallas xylan förbinder cellulosa och lignin som lim.

Man har också tidigare trott att cellulosan, lignin- och xylanmolekyler blandas, men forskarna upptäckte att var och en har separata domäner och dessa domäner utför separata funktioner.

"Jag blev förvånad. Våra resultat går faktiskt emot läroboken, " sa Wang.

Lignin med sina vattentäta egenskaper är en viktig strukturell komponent i växter. Lignin utgör också en utmaning för etanolproduktionen eftersom det hindrar socker från att omvandlas till etanol i en anläggning. Betydande forskning har gjorts om hur man kan bryta ner växtstruktur eller förädla mer smältbara växter för att producera etanol eller andra biobränslen. Dock, denna forskning har gjorts utan den fullständiga bilden av växternas molekylära struktur.

"Mycket arbete med etanolproduktionsmetoder kan behöva ytterligare optimering, men det öppnar dörrar för nya möjligheter att förbättra vårt sätt att bearbeta denna värdefulla produkt, " sa Wang.

Detta innebär att ett bättre enzym eller kemikalie kan designas för att mer effektivt bryta ner kärnan i en växts biomassa. Dessa nya tillvägagångssätt kan också tillämpas på biomassa i andra växter och organismer.

Förutom majs, Wang och hans kollegor analyserade tre andra växtarter:ris, switchgrass som även används för biobränsleproduktion och modellväxtarten Arabidopsis, som är en blommande växt relaterad till kål. Forskarna fann att molekylstrukturen bland de fyra växterna liknar varandra.

De upptäckte detta genom att använda ett kärnmagnetisk resonansspektroskopiinstrument i fast tillstånd vid LSU och vid National Science Foundations National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Fla. Tidigare studier som använde mikroskop eller kemiska analyser har inte visat den inföddas struktur på atomnivå, intakt växtcellsarkitektur. Wang och hans kollegor är de första som direkt mäter molekylstrukturen hos dessa intakta växter.

De analyserar nu trä från eukalyptus, poppel och gran, vilket skulle kunna bidra till att förbättra pappersproduktionen och materialutvecklingsindustrin också.