Aenert. Research Laboratory news
تعتبر الكتلة الحيوية النباتية مصدرًا متجددًا ووفيرًا وصديقًا للبيئة للطاقة. إن استخدام الكتلة الحيوية النباتية يمكن أن يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري ويحسن مشكلة التلوث البيئي. تقف مجموعة متنوعة من الوقود الحيوي مثل الديزل الحيوي والهيدروجين الحيوي والإيثانول الحيوي والغاز الحيوي جنبًا إلى جنب مع نظيراتها الأحفورية في الوقت الحاضر ويتم إنتاجها من خلال عمليات إنتاج مختلفة. يعتمد إنتاجها على الإنزيمات إما للمعالجة المسبقة للمواد الأولية أو تلعب الإنزيمات دورًا حيويًا في عملية التخليق نفسها. إن مدى تفاعل هذه الإنزيمات مع المواد الخام له تأثير كبير على كفاءة العملية بالإضافة إلى الجدوى. ولذلك، فإن تسويق الوقود الحيوي من الكتلة الحيوية المتغيرة له قيود معينة تتعلق بالإنزيمات المشاركة في الإنتاج.
تحتوي الكتلة الحيوية النباتية على جزيئات سكر معقدة غنية بالطاقة والتي يتم توليدها من عملية التمثيل الضوئي. يحيط جدار خلوي صلب مصنوع من السكريات بالخلايا النباتية بالإضافة إلى مادة تسمى اللجنين توفر الدعم الهيكلي. بقدر ما نحتاج إلى اللجنين لتوفير نبات صحي، يجب تقليله إذا أردنا تسخير السكريات وتحويلها إلى وقود. وكان هذا هو محور البحث الذي يهدف إلى استخدام النباتات لتوليد الوقود والمنتجات الأخرى المصنوعة عادة من النفط.

الآن ( 2023 )، ابتكر العلماء في مختبر بروكهافن الوطني إنزيمات لتعديل النباتات العشبية بحيث يمكن ضبط محتوى كتلتها الحيوية بكفاءة في الوقود الحيوي والمنتجات الحيوية الأخرى. يمكن لهذه الإنزيمات تعديل الجزيئات الموجودة في جدران الخلايا النباتية لتوفير الوصول إلى السكريات المولدة للوقود والمقفلة عادة داخل الهياكل المعقدة.

منذ ما يقرب من 15 عامًا، كان فريق العلماء يعمل على هذه المشكلة باستخدام إنزيمات هندسية تسمى monolignol 4-O-methyltransferases (MOMTs). يمكن لهذه الإنزيمات الاصطناعية أن تغير التركيب الكيميائي لوحدات البناء الرئيسية في مادة اللجنين، والمونوليجنول. وهذا يمنعهم من الارتباط ببعضهم البعض، مما يقلل من محتوى اللجنين في النباتات ويجعل الوصول إلى السكريات أكثر سهولة.

في العمل السابق، نجح العلماء في التعبير عن MOMTs في أشجار الحور. أظهرت هذه الإنزيمات قدرة كبيرة على تقليل محتوى اللجنين في الأشجار وتمكين زيادة إطلاق السكر من النباتات. في الدراسة الأخيرة، تم النظر في التطبيقات المحتملة لإنزيمات MOMT في النباتات العشبية. يمكن أن تنمو الأعشاب غير الأشجار في بيئات صعبة، مثل التربة التي تعاني من نقص الماء أو العناصر الغذائية. إذا تم زراعة النباتات المهندسة في مثل هذه البيئات، فمن المحتمل أن ينتج ذلك كتلة حيوية محسنة لتحويلها إلى وقود ومنتجات حيوية لا يلزم زراعتها على الأراضي اللازمة لإنتاج المحاصيل الغذائية.

في هذه الدراسة، ركز فريق العلماء على نسختين من الإنزيم، MOMT4 وMOMT9، كل منهما مصمم لتعديل وحدة فرعية مختلفة من اللجنين. وبالتعاون مع باحثين من جامعة كيوتو في اليابان، أجروا تحليلات كيميائية على نباتات الأرز المُصممة هندسيًا للتعبير عن MOMT4 أو MOMT9. أثبت البحث أن هناك كمية أقل من اللجنين في النباتات العشبية المعدلة مقارنة بالنباتات غير المعدلة.

ومع ذلك، على الرغم من أن MOMT4 وMOMT9 تم تصميمهما خصيصًا للعمل على المونوليجنول، فقد كشفت نتائج الاختبار أن هذه الإنزيمات المهندسة تعمل أيضًا على مكونات أخرى أيضًا. أثرت كل من MOMTs على الفينولات المتشابكة وأيضًا على الفينول المسمى تريسين، وهو مادة أولية من اللجنين موجودة فقط في النباتات العشبية. مع تغيير هياكل الفينولات والتريسين المتقاطعة، قللت MOMTs أيضًا من دمج تلك المركبات في جدران الخلايا مما أدى إلى إضعافها. كما وجد أن الفينولات المعدلة قد تراكمت في بقية الأنسجة النباتية. علاوة على ذلك، فإن النباتات التي تحتوي على MOMT9 لم تنمو بطول النباتات غير المعدلة، مما أدى إلى تقليل كمية الكتلة الحيوية التي يمكن الوصول منها إلى السكر. كما أن النباتات لا تستطيع إنتاج البذور، مما يعني أن النباتات المعدلة لا يمكنها التكاثر. ولمعالجة هذه المشكلات، ستركز الأبحاث المستقبلية على طرق التحكم في كيفية تعديل اللجنين في أجزاء مختلفة من النبات.

Image: Phenotypic analysis of MOMT4 and MOMT9 transgenic plants. (a) Expression cassette of MOMT4/9 under OsC4H promoter with OsC4H 5′ untranslated region, a kozak sequence and a sorghum heat shock protein gene terminator (SbHSP). (b) The RT-PCR analysis of MOMT4/9 transgene expression in the WT, empty VC, MOMT4, or MOMT9 overexpression lines. Rice ubiquitin 5 gene (UBQ5) was used as the control. (c) Morphology of the regenerated 1.5-month-old MOMT4 and MOMT9 overexpression plants in T0 generation after first time cutting. Scale bar = 10 cm. (d and e) The measurements of plant height (d) and aerial biomass yield (e). Data are presented as mean ± s.e. (n = 20). Each data point represents individual MOMT4 or MOMT9 transgenic line. *** Indicates statistically significant difference with P <0.001, compared to the WT (one-way ANOVA test; Tukey's multiple-comparison test). (f–n) Floret and anther morphology, and Iodine-potassium iodide staining of mature pollen grains of the WT (f–h), MOMT4 (i–k), and MOMT9 (l–n) overexpression plants. Scale bar = 500 μm in (f–n). Note that MOMT9 anthers did not release any viable pollen grains (n). (o–t) Scanning electron micrographs of transverse sections of the fourth stem internodes of T0 generation plants after the fourth successive asexual propagation–regeneration, and the enlarged vision of their collenchyma cells of theWT (o, p), MOMT4 (q, r), and MOMT9 (s, t). E, epidermis; CC, collenchyma cells; VB, vascular bundle. Scale bar = 50 μm in (o, q, s) and 5 um in (p, r, t)



Source: Nidhi Dwivedi, Senri Yamamoto, Yunjun Zhao, Guichuan Hou, Forrest Bowling, Yuki Tobimatsu, Chang-Jun Liu/ Simultaneous suppression of lignin, tricin and wall-bound phenolic biosynthesis via the expression of monolignol 4-O-methyltransferases in rice/ Plant Biotechnology Journal, 05 October 2023/ doi.org/10.1111/pbi.14186/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International

إن العثور على وسائل فعالة لإنتاج الوقود الحيوي مهمة مهمة. إذا أردنا التخفيف من الآثار الضارة لتغير المناخ. في عام 2015 ، اختبر العلماء ما إذا كانت إعادة تشكيل الموقع النشط لمونوليجنول 4-O-ميثيل ترانسفيراز من شأنها أن تنتج إنزيمًا يقوم على وجه التحديد بميثيل سلائف جواياسيل ليجنين المكثفة كحول كونيفيريل. من خلال الجمع بين المعلومات الهيكلية البلورية مع الطفرات التوافقية لتشبع الموقع النشط واستخدام الإنزيم المختلط الهندسي MOMT5 (T133L/E165I/F175I/F166W/H169F)، أعادوا تشكيل جيب ربط الركيزة عن طريق إضافة أربعة بدائل، أي M26H، S30R، V33S. ، و T319M ، الذي أنشأ إنزيمًا متحولًا قادرًا على إيثرة الباراهيدروكسيل في كحول الكونيفيريل بشكل تمييزي. أدى متغير الإنزيم الهندسي إلى تقليل جيب ربط الركيزة بشكل كبير مما يفرض عائقًا استاتيكيًا. تم العثور على متغير الإنزيم الناتج ليكون ممتازًا لتعديل تكوين اللجنين و/أو هيكله في النبات.

Image: The scheme of lignin polymerization process and MOMT-catalyzed reaction. A, lignin monomeric precursors. B, MOMT-catalyzed methylation reaction. C, the dehydrogenation of monolignols. D, the subsequent polymerization process



Source: Yuanheng Cai, Mohammad-Wadud Bhuiya, John Shanklin, Chang-Jun Liu/ Engineering a Monolignol 4-O-Methyltransferase with High Selectivity for the Condensed Lignin Precursor Coniferyl Alcohol*/ Plant Biology| Volume 290, ISSUE 44, October 2015/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

في عام 2016 ، عبر العلماء عن 4-O-methyltransferase المُصمم هندسيًا القادر على التعديل الكيميائي شاردة الفينول من سلائف اللجنين المونومرية وبالتالي منع دمجها في بوليمر اللجنين. أدى هذا إلى تغيير كبير في محتوى اللجنين وبنية الحور الهجين. أظهرت الكتلة الحيوية الخشبية من الحور المعدل وراثيًا زيادة بنسبة 62% في إطلاق السكريات البسيطة وزيادة تصل إلى 49% في إنتاج الإيثانول عند إخضاعها للهضم الأنزيمي والتخمر بوساطة الخميرة. كما وجد أن التغييرات الهيكلية في جدار الخلية لا تمنع نمو الأشجار وإنتاج الكتلة الحيوية لها.


Image: (a) Three-month-old hybrid aspens of control (left) and three MOMT4 independent transgenic lines (right). (b,c) Phloroglucinol-HCl staining of the stem cross-sections of control (b) and MOMT4-0 transgenic line (c). (d,e) Mäule staining of the stem cross-sections of control (d) and MOMT4-0 transgenics (e). Scale bars, 1 mm. (f) Acetyl bromide total lignin content in the cell walls of control and MOMT4 transgenic aspen stems. (g) The monomers released by thioacidolysis from the stem cell walls of MOMT4 transgenic aspens; S, syringyl; G, guaiacyl; H, p-hydroxyphenyl; CWR, cell wall residues; Ctrl., control. Data in f,g represent mean±s.e. with three biological replicates (each with three technical repeats) for the control and three technical repeats for the individual transgenic lines. ** Indicates significant difference of lignin content (f) or S-monomer (g) compared to the control with P<0.01 (Student’s t-test)



Source: Yuanheng Cai, Kewei Zhang, Hoon Kim, Guichuan Hou, Xuebin Zhang, Huijun Yang, Huan Feng, Lisa Miller,  John Ralph & Chang-Jun Liu/ Enhancing digestibility and ethanol yield of Populus wood via expression of an engineered monolignol 4-O-methyltransferase/ Nature Communications volume 7, Article number: 11989 (2016), 28 June 2016/ doi.org/10.1038/ncomms11989/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

إن تقليل محتوى اللجنين له العديد من المزايا: مع وجود كمية أقل من اللجنين في الخلية على الجدران، يمكن جمع ما يصل إلى 30% سكر أكثر من النباتات التي تعبر عن MOMT4 وما يصل إلى 15% سكر أكثر في النباتات التي تعبر عن MOMT9، مقارنة بالنباتات غير المعدلة. من خلال التخمير، يمكن إنتاج الوقود الحيوي السكر مثل الإيثانول من خلال التحويل. الإيثانول هو مادة مضافة شائعة تستخدم لخفض محتوى الوقود الأحفوري في البنزين.

ستتضمن الخطوات التالية تحليل ما إذا كانت إنزيمات MOMT الخاصة بها يمكنها تحسين إنتاج السكر من أنواع النباتات العشبية الأخرى. ويأمل العلماء أن يتم استخدام هذا الإنزيم لتعديل محاصيل الطاقة العشبية مثل الذرة الرفيعة والخيزران. وهم مقتنعون أيضًا بأنه سيساعد في التغلب على بعض النفايات التي تحدث مع محاصيل الكتلة الحيوية غير المعدلة.

من قبل هيئة التحرير