Forskare som studerar biokemin hos växtcellväggar har identifierat ett enzym som kan förvandla vedartade poppelträd till en källa för att producera en viktig industriell kemikalie. Forskningen, precis publicerat i Natur Växter , kan leda till en ny hållbar väg för att göra " sid -hydroxibensoesyra, "en kemisk byggsten som för närvarande härrör från fossila bränslen, i växtbiomassa.

" P -hydroxibensoesyra är ett mångsidigt kemiskt råmaterial. Det kan fungera som en byggsten för att göra flytande kristaller, en mjukgörare av nylonharts, ett sensibiliseringsmedel för termiskt papper, och ett råmaterial för att göra paraben, färgämnen, och pigment, sade Chang-Jun Liu, en växtbiokemist vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och huvudförfattare på tidningen.

Det globala marknadsvärdet av sid -hydroxibensoesyra uppgick till 59 miljoner USD 2020 och beräknas nå 80 miljoner USD 2026. Men den nuvarande processen för att tillverka denna viktiga kemikalie är beroende av petrokemikalier. Dess syntes kräver hårda reaktionsförhållanden (hög temperatur och högt tryck) och har negativ miljöpåverkan. Att hitta ett ekonomiskt och hållbart sätt att göra sid -hydroxibensoesyra i växter kan bidra till att mildra miljöpåverkan och bidra till en framväxande bioekonomi.

"Vi har identifierat ett nyckelenzym som ansvarar för syntesen och ackumuleringen av sid -hydroxibensoat ( sid BA)—den konjugerade basen av sid -hydroxibensoesyra-i lignin, en av tre huvudpolymerer som utgör det strukturella stödet som omger växtceller, ", sa Liu. "Denna upptäckt kan göra det möjligt för oss att konstruera växter för att ackumulera mer av denna kemiska byggsten i deras cellväggar, därigenom potentiellt tillföra värde till biomassan."

Biobränslen och bioprodukter

Cellväggar är gjorda av en kombination av kedjeliknande polymerer - cellulosa, hemicellulosa, och lignin – som är den största källan till växtbiomassa. Liu och andra forskare har undersökt de biokemiska vägarna som bygger upp dessa växtpolymerer. Ett mål har varit att förstå hur en förändring av blandningen av polymerer kan göra det enklare och mer kostnadseffektivt att omvandla biomassa till biobränslen.

Lignin, som ger växter strukturell integritet, mekanisk styrka, och vattentätning, är särskilt svårt att bryta ner. Men nyare forskning som syftar till att generera cellulosaetanol har drivit fram tekniska framsteg och möjligheter att öka användningen och därmed värdet av lignin.

Forskare har känt till att byggstenarna som utgör lignin ofta har olika kemiska grupper, Inklusive sid BA, fäst som sidokedjor. Den exakta funktionen av dessa sidogrupper var okänd. Men Lius team var intresserade av att utforska deras inflytande på ligninstruktur och egenskaper. Så, de satte sig för att upptäcka enzymet som ansvarar för att fästa sid BA till lignin.

"Om vi ​​kunde identifiera detta enzym, och kontrollera sedan uttrycket av genen som gör detta enzym, vi kunde effektivt kontrollera nivån på sid BA i biomassa från bioenergianläggningar, " sa Liu.

Letar efter genen

Forskarna genomförde sin studie på poppel. Denna snabbväxande trädart har rik vedartad biomassa. Det har dykt upp som ett lovande förnybart råmaterial för biobränsle och biobaserad kemisk produktion. Det har också sid BA som huvudsidokedjans "dekoration" på dess lignin.

Att systematiskt identifiera och karakterisera enzymet/enzymerna som är involverade i bindningen sid BA eller andra kemiska grupper till lignin, Lius team screenade en serie kandidatgener som identifierats genom en relaterad genomisk studie av poppel.

"Vi klonade 20 kandidatgener som i första hand uttrycks i vedartade vävnader och kodar för enzymer som kallas acyltransferaser. Det är de enzymer som mest sannolikt är involverade i att överföra kemiska grupper till de särskilda acceptermolekylerna, " sa Liu.

Forskarna uttryckte de enzymer som kodas för av dessa gener och blandade var och en med olika byggstenar inklusive en isotopmärkt kolförening. Att spåra isotopmärkningen och en rad andra provrörsbaserade biomolekylära tekniker gjorde det möjligt för forskarna att övervaka om varje kandidatenzym var involverat i att fästa sidokedjor som t.ex. sid BA (eller de andra kemiska grupperna). De kunde nollställa den mest sannolika kandidaten för reaktionen av intresse.

Starkt bevisa enzymets funktion i växter, dock, var en formidabel uppgift. Det tog många år för forskarna – och krävde framväxten av nya framsteg inom molekylärbiologin.

En av dessa var en teknik som kallas CRISPR/Cas9, en modern "genetisk sax" som tillåter exakt redigering av gener i genomet av en målorganism. Teamet använde CRISPR/Cas9 för att generera en poppelvariant där den kandidatenzymkodande genen hade raderats. Efterföljande analys fann nästan nej sid BA på ligninet i stjälkar av dessa växter.

De försökte också ett annat genetiskt test genom att överuttrycka genen som producerar kandidatenzymet. Dessa växter ackumulerade ökade nivåer av sid BA.

"Tillsammans ger dessa data avgörande bevis för att genen/enzymet vi har identifierat kan fästa sid BA till ligninbyggstenarna, " sa Liu.

Ramar upp växter' sid BA-innehåll genom genetisk manipulation kan vara ett sätt att producera hållbart sid -hydroxibensoesyra.

Forskarna fann också att lignin från växter som konstruerades för att ackumulera lägre pBA var lättare att lösa i ett lösningsmedel. Detta betyder att, i naturen, sid BA hjälper till att stärka lignin.

Därför, ett annat potentiellt resultat av att identifiera enzymet för tillsats sid BA till lignin kan vara genetiska strategier för att skräddarsy de kemiska egenskaperna hos lignin.

Sänkning sid BA kan förbättra "delignifieringen" av vedartad biomassa för processer som massaframställning, papperstillverkning, och produktion av biobränsle.

Omvänt, ökande sid BA-nivåer på lignin kan potentiellt förbättra virkets hållbarhet samtidigt som de ger en väg för långsiktig kolbindning genom att låsa upp mer kol i växtbiomassa - ett annat viktigt DOE-mål.

"Detta arbete är ett bra exempel på grundläggande vetenskaplig forskning som leder till potentiellt värdefulla nedströmsapplikationer, sa John Shanklin, Ordförande för Brookhaven Lab Biology Department.