Aenert. Research Laboratory news
Растительная биомасса является возобновляемым, обильным и экологически чистым источником энергии. Использование растительной биомассы может снизить зависимость от ископаемого топлива и решить проблему загрязнения окружающей среды. Различные виды биотоплива, такие как биодизель, биоводород, биоэтанол и биогаз, в настоящее время стоят рядом со своими ископаемыми аналогами и производятся с помощью различных производственных процессов. Их производство зависит от ферментов либо для предварительной обработки сырья, либо ферменты играют жизненно важную роль в самом процессе синтеза. То, насколько хорошо эти ферменты взаимодействуют с сырьем, оказывает большое влияние на эффективность процесса, а также на его осуществимость. Таким образом, коммерциализация биотоплива из переменной биомассы имеет определенные ограничения, связанные с ферментами, участвующими в производстве.
Биомасса растений содержит богатые энергией сложные молекулы сахара, которые образуются в результате фотосинтеза. Растительные клетки окружает жесткая клеточная стенка, состоящая из сахаров, а также материал, называемый лигнином, обеспечивающий структурную поддержку. Так же, как лигнин необходим для обеспечения здоровья растений, его необходимо уменьшить, если мы хотим использовать сахара и превращать их в топливо. Это было в центре внимания исследований, направленных на использование растений для производства топлива и других продуктов, обычно производимых из нефти.

Сейчас ( 2023 год ) ученые Брукхейвенской национальной лаборатории создали ферменты для модификации травяных растений, чтобы их биомассу можно было эффективно перерабатывать в биотопливо и другие биопродукты. Эти ферменты могут модифицировать молекулы, содержащиеся в стенках растительных клеток, чтобы обеспечить доступ к сахарам, генерирующим топливо, обычно заключенным в сложные структуры.

В течение почти 15 лет группа ученых работала над этой проблемой, используя сконструированные ферменты, называемые монолигнол-4-О-метилтрансферазами (МОМТ). Эти синтетические ферменты могут изменить химическую структуру основных строительных блоков лигнина — монолигнолов. Это предотвращает их соединение друг с другом, что снижает содержание лигнина в растениях и делает сахара более доступными.

В предыдущей работе ученые успешно экспрессировали MOMT на тополях. Эти ферменты продемонстрировали большую способность снижать содержание лигнина в деревьях и способствовать увеличению высвобождения сахара из растений. В недавнем исследовании рассматривалось потенциальное применение ферментов MOMT в травяных растениях. Травы, отличные от деревьев, могут расти в сложных условиях, например, на почвах с дефицитом воды или питательных веществ. Если бы искусственные растения выращивались в такой среде, это потенциально могло бы производить биомассу, оптимизированную для переработки в топливо и биопродукты, которую не нужно выращивать на земле, необходимой для производства продовольственных культур.

В этом исследовании группа ученых сосредоточилась на двух версиях фермента: MOMT4 и MOMT9, каждая из которых предназначена для модификации различных субъединиц лигнина. Сотрудничая с исследователями из Киотского университета в Японии, они провели химический анализ растений риса, экспрессирующих MOMT4 или MOMT9. Исследования показали, что в модифицированных травянистых растениях лигнина было меньше, чем в неизмененных растениях.

Однако, хотя MOMT4 и MOMT9 были специально разработаны для воздействия на монолигнолы, результаты испытаний показали, что эти сконструированные ферменты также действуют и на другие компоненты. Оба MOMT повлияли на сшивающие фенольные соединения, а также на фенол, называемый трицином, предшественник лигнина, обнаруженный только в травянистых растениях. Поскольку структуры сшивающих фенольных соединений и трицина были изменены, MOMT также уменьшили включение этих соединений в клеточные стенки, что еще больше их ослабило. Также было обнаружено, что модифицированные фенольные соединения накапливаются в остальной части растительной ткани. Более того, растения, имеющие MOMT9, не вырастали такими высокими, как неизмененные растения, что уменьшало количество биомассы, из которой можно было получить сахар. Растения также не могли давать семена, а это значит, что измененные растения не могут размножаться. Чтобы решить эти проблемы, будущие исследования будут сосредоточены на методах контроля над тем, как лигнин модифицируется в различных частях растения.

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

Поиск эффективных средств производства биотоплива является важной задачей. если мы хотим смягчить вредные последствия изменения климата. В 2015 году ученые проверили, приведет ли специфическое ремоделирование активного сайта монолигнол-4-О-метилтрансферазы к образованию фермента, который специфически метилирует конденсированный предшественник гваяциллигнина конифериловый спирт. Объединив информацию о кристаллической структуре с комбинаторным мутагенезом с насыщением активного центра и используя сконструированный беспорядочный фермент MOMT5 (T133L/E165I/F175I/F166W/H169F), они ремоделировали карман связывания субстрата путем добавления четырех замен, а именно M26H, S30R, V33S. и T319M, который создал мутантный фермент, способный избирательно этерифицировать парагидроксил кониферилового спирта. Сконструированный вариант фермента существенно уменьшил карман связывания субстрата, создавая стерические препятствия. Было обнаружено, что полученный вариант фермента превосходно подходит для модуляции состава и/или структуры лигнина in 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)

В 2016 году ученые разработали сконструированную 4-О-метилтрансферазу, способную химически модифицировать фенольную часть мономерных предшественников лигнина и, таким образом, предотвращая их включение в полимер лигнина. Это существенно изменило содержание лигнина и структуру осины гибридной. Древесная биомасса трансгенной осины продемонстрировала увеличение высвобождения простых сахаров на 62% и увеличение выхода этанола на 49% при ферментативном расщеплении и дрожжевой ферментации. Кроме того, было обнаружено, что структурные изменения клеточной стенки не подавляют рост и производство биомассы деревьев.

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)

Уменьшение содержания лигнина имеет ряд преимуществ: С меньшим количеством лигнина в клетке стенок, до 30% больше сахара можно собрать из растений, экспрессирующих MOMT4, и до 15% больше сахара из растений, экспрессирующих MOMT9, по сравнению с неизмененными растениями. Посредством ферментации можно производить сахарное биотопливо, такое как этанол. Этанол — распространенная добавка, используемая для снижения содержания ископаемого топлива в бензине.

Следующие шаги будут включать в себя анализ того, смогут ли их ферменты MOMT оптимизировать урожайность сахара из других видов травяных растений. Ученые надеются, что фермент можно будет использовать для модификации травяных энергетических культур, таких как сорго и бамбук. Они также убеждены, что это поможет преодолеть часть отходов, образующихся при выращивании немодифицированных культур биомассы.

Редакционный совет