Открытие, связанное с тополем, может определить будущее энергетики и биоматериалов

Новое исследование, проведённое под руководством учёных из Университета Миссури, показало, как тополя могут естественным образом регулировать ключевую часть химии своей древесины в зависимости от изменений в окружающей среде. Это открытие, ставшее результатом сотрудничества с учёными из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета Джорджии, может помочь в создании более качественного биотоплива и других экологически чистых продуктов.

Исследование

Исследование под названием «Факторы, лежащие в основе широтного градиента в соотношении мономеров лигнина S/G у природных вариантов тополя» опубликовано в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».

О лигнине

Лигнин — это распространённое природное вещество, которое содержится почти в каждом растении со стеблями, корнями и листьями. Оно помогает растениям сохранять вертикальное положение, перемещать воду и защищать себя от перепадов температур и других факторов окружающей среды.

«Лигнин действует как клей и броня — он скрепляет всё вместе, а также защищает растение от внешних стрессов», — сказал Джейме Баррос-Риос, доцент кафедры молекулярной биологии растений.

«Понимание того, как растения производят лигнин, может помочь нам улучшить его преобразование в ценные биоматериалы и повысить конкурентоспособность биоперерабатывающих заводов США», — добавил он.

Тополя в промышленности и научных исследованиях

Тополя уже используются в целлюлозно-бумажной промышленности. Теперь их исследуют как источник биоэнергии — топлива, пластмасс и других биопродуктов, изготовленных из растений, а не из нефти.

Геном тополей полностью расшифрован, что делает их полезными для научных исследований. Это позволило Барросу-Риосу и его команде из Колледжа сельского хозяйства, продовольствия и природных ресурсов Университета Миссури и внешним сотрудникам обнаружить, что химический состав лигнина меняется в зависимости от широты, на которой растёт дерево.

Результаты исследования

Исследователи изучили 430 образцов древесины тополя Populus trichocarpa, который растёт в основном в западной части Северной Америки. Деревья, растущие в более тёплых климатах, производили лигнин с более высоким соотношением сирингила к гваяцилу (S/G) — двумя ключевыми химическими строительными блоками, называемыми мономерами, — по сравнению с деревьями из более холодных климатов.

«Это соотношение S/G представляет собой пропорцию между двумя наиболее распространёнными мономерами в лигнине», — сказал Вэйвэй Чжу, постдокторант в лаборатории Барроса-Риоса и ведущий автор исследования.

«Эти мономеры имеют немного разные химические структуры, что влияет на свойства древесины и напрямую влияет на то, насколько легко лигнин можно расщеплять и перерабатывать, что упрощает создание биотоплива и широкого спектра повседневных продуктов», — пояснил он.

Помимо генетического исследования, исследовательская группа использовала трёхмерное компьютерное моделирование, чтобы лучше понять свои выводы.

«Мы обнаружили мутацию в важном ферменте клеточной стенки у тополей, называемом лакказой, которая, как оказалось, контролирует соотношение S/G в этой естественной популяции», — сказала Рэйчел Вебер, старший студент-биохимик из Университета Миссури, которая создала модель.

«Я использовала программное обеспечение для моделирования структуры белков под названием ColabFold, чтобы точно определить местоположение этой мутации в белке лакказы», — добавила она.

К удивлению команды, мутация не проявлялась в активном центре белка, что предполагает, что отложение лигнина в естественных условиях может регулироваться всё ещё не охарактеризованными сигнальными путями, сказала Вебер.

«Это указывает на более сложную регуляцию, чем мы думали изначально, и даёт нам новые подсказки о том, как деревья адаптируются и защищают себя», — сказала она.

Неожиданное открытие

Команда также обнаружила следы редкой формы лигнина, называемой C-лигнином, в тополях. Ранее считалось, что C-лигнин присутствует только в семенах некоторых растений, таких как ваниль и кактусы.

Поскольку C-лигнин проще и более однороден, чем обычный лигнин, его легче расщеплять и перерабатывать в используемый растительный материал для биопластиков, биотоплива и других возобновляемых продуктов.

«Этот тип лигнина может помочь нам более эффективно превращать биомассу растений в ценные товарные химические вещества», — сказал Баррос-Риос.

В будущем команда Университета Миссури работает над генетической модификацией тополей и сои, чтобы они могли содержать больше C-лигнина, что упростит переработку биомассы этих растений на биоперерабатывающих заводах нового поколения.

Источник