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Aenert. Research Laboratory news
La biomasa vegetal es una fuente de energía renovable, abundante y ecológica. El uso de biomasa vegetal puede reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mejorar el problema de la contaminación ambiental. Hoy en día, junto a sus homólogos fósiles, se encuentran diversos biocombustibles como el biodiésel, el biohidrógeno, el bioetanol y el biogás y se producen mediante diferentes procesos de producción. Su producción depende de enzimas, ya sea para el pretratamiento de la materia prima o de las enzimas que desempeñan un papel vital en el proceso de síntesis en sí. Qué tan bien interactúan estas enzimas con la materia prima tiene una gran influencia en la eficiencia y la viabilidad del proceso. Por tanto, la comercialización de biocombustibles a partir de biomasa variable tiene ciertas limitaciones relacionadas con las enzimas implicadas en su producción.
La biomasa vegetal contiene moléculas de azúcar complejas ricas en energía que se generan a partir de la fotosíntesis. Una pared celular rígida hecha de azúcares rodea las células vegetales y un material llamado lignina proporciona soporte estructural. Por mucho que la lignina sea necesaria para proporcionar una planta sana, es necesario reducirla si se quieren aprovechar los azúcares y convertirlos en combustibles. Este ha sido el foco de investigaciones encaminadas a utilizar plantas para generar combustibles y otros productos comúnmente elaborados a partir del petróleo.

Ahora ( 2023 ), los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven han creado enzimas para modificar las plantas herbáceas de modo que su contenido de biomasa pueda adaptarse de manera eficiente a biocombustibles y otros bioproductos. Estas enzimas pueden modificar las moléculas contenidas en las paredes celulares de las plantas para proporcionar acceso a azúcares generadores de combustible que normalmente se encuentran encerrados dentro de estructuras complejas.

Durante casi 15 años, el equipo de científicos ha estado trabajando en este problema utilizando enzimas diseñadas llamadas monolignol 4-O-metiltransferasas (MOMT). Estas enzimas sintéticas pueden cambiar la estructura química de los principales componentes básicos de la lignina, los monolignoles. Esto impide que se unan entre sí, lo que reduce el contenido de lignina de las plantas y hace que los azúcares sean más accesibles.

En trabajos anteriores, los científicos expresaron con éxito MOMT en álamos. Estas enzimas mostraron una gran capacidad para reducir el contenido de lignina de los árboles y permitir una mayor liberación de azúcar de las plantas. En el estudio reciente, se analizaron las posibles aplicaciones de las enzimas MOMT en plantas herbáceas. Otros pastos además de los árboles pueden crecer en ambientes difíciles, como suelos deficientes en agua o nutrientes. Si se cultivaran plantas modificadas genéticamente en tales entornos, esto podría potencialmente producir biomasa optimizada para su conversión en combustible y bioproductos que no tienen que cultivarse en tierras necesarias para producir cultivos alimentarios.

En este estudio, el equipo de científicos se centró en dos versiones de la enzima, MOMT4 y MOMT9, cada una diseñada para modificar una subunidad de lignina diferente. En colaboración con investigadores de la Universidad de Kyoto en Japón, llevaron a cabo análisis químicos en plantas de arroz diseñadas para expresar MOMT4 o MOMT9. La investigación demostró que había menos lignina en las plantas de pasto modificado en comparación con las plantas no alteradas.

Sin embargo, aunque MOMT4 y MOMT9 fueron diseñados específicamente para actuar sobre monolignoles, los resultados de las pruebas revelaron que estas enzimas diseñadas también actuaban sobre otros componentes. Ambos MOMT influyeron en los fenólicos entrecruzados y también en un fenólico llamado tricina, un precursor de la lignina que solo se encuentra en las plantas herbáceas. A medida que se cambiaron las estructuras de los fenólicos y la tricina entrecruzados, los MOMT también redujeron la incorporación de esos compuestos en las paredes celulares, lo que las debilitó aún más. También se encontró que los fenólicos modificados se acumulaban en el resto del tejido vegetal. Además, las plantas que tenían MOMT9 no crecieron tan alto como las plantas inalteradas, lo que redujo la cantidad de biomasa a la que se podía acceder al azúcar. Las plantas tampoco pudieron producir semillas, lo que significa que las plantas alteradas no pueden reproducirse. Para abordar estos problemas, las investigaciones futuras se centrarán en métodos para controlar cómo se modifica la lignina en diferentes partes de la planta.

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

Encontrar medios eficaces para la producción de biocombustibles es una tarea importante. si queremos mitigar los efectos nocivos del cambio climático. En 2015 , los científicos probaron si la remodelación específica del sitio activo de una monolignol 4-O-metiltransferasa produciría una enzima que metiera específicamente el alcohol coniferílico precursor de guaiacillignina condensado. Mediante la combinación de información estructural del cristal con mutagénesis combinatoria de saturación del sitio activo y el uso de la enzima promiscua diseñada, MOMT5 (T133L/E165I/F175I/F166W/H169F), remodelaron el bolsillo de unión del sustrato mediante la adición de cuatro sustituciones, es decir, M26H, S30R, V33S. y T319M, que creó una enzima mutante capaz de eterificar selectivamente el parahidroxilo del alcohol coniferílico. La variante enzimática diseñada redujo sustancialmente la bolsa de unión al sustrato, imponiendo un impedimento estérico. Se descubrió que la variante enzimática resultante era excelente para modular la composición y/o estructura de la lignina en la planta.

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)

En 2016 , los científicos expresaron una 4-O-metiltransferasa diseñada capaz de modificar químicamente la fracción fenólica de los precursores monoméricos de lignina y evitando así su incorporación al polímero de lignina. Esto cambió sustancialmente el contenido de lignina y la estructura de los álamos híbridos. La biomasa leñosa de los álamos transgénicos mostró un aumento del 62% en la liberación de azúcares simples y hasta un aumento del 49% en el rendimiento de etanol cuando se sometió a digestión enzimática y fermentación mediada por levaduras. Además, se descubrió que los cambios estructurales de la pared celular no inhiben el crecimiento ni la producción de biomasa de los árboles.

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)

Reducir el contenido de lignina tiene varias ventajas: Con menos lignina en la célula paredes, se podría recolectar hasta un 30% más de azúcar de las plantas que expresan MOMT4 y hasta un 15% más de azúcar en las plantas que expresan MOMT9, en comparación con las plantas no alteradas. Mediante la fermentación, se pueden producir biocombustibles de azúcar como el etanol mediante conversión. El etanol es un aditivo común que se utiliza para reducir el contenido de combustibles fósiles de la gasolina.

Los próximos pasos incluirán analizar si sus enzimas MOMT pueden optimizar la producción de azúcar de otras especies de plantas herbáceas. Los científicos tienen la esperanza de que la enzima pueda usarse para modificar cultivos energéticos de pastos como el sorgo y el bambú. También están convencidos de que ayudará a superar algunos de los residuos que se producen con los cultivos de biomasa no modificados.

Por el consejo editorial