La lignina es un componente natural de las paredes celulares de las plantas, el andamiaje que rodea cada célula y desempeña un papel fundamental en la capacidad de las plantas para crecer contra la gravedad y alcanzar alturas que van desde pastos incipientes hasta el esplendor de las secuoyas.un problema para los científicos interesados en convertir la biomasa vegetal en biocombustibles y otros productos biológicos sostenibles. La lignina dificulta la descomposición de la materia vegetal para que sus bloques de construcción ricos en carbono se puedan convertir en formas adecuadas para generar energía o hacer funcionar automóviles.
Una solución simple podría ser diseñar plantas con menos lignina. Pero los intentos previos para hacer esto a menudo han resultado en plantas más débiles y retraso en el crecimiento, esencialmente frenando la producción de biomasa.
Ahora, al diseñar una nueva enzima involucrada en la síntesis de lignina, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y sus colaboradores han alterado la lignina en los álamos de una manera que aumenta el acceso a los bloques de construcción de biocombustibles sin inhibir el crecimiento de las plantas. Su investigación, descrito en Comunicaciones de la naturaleza , resultó en un aumento de casi 50 por ciento en el rendimiento de etanol de árboles de álamo sanos cuya biomasa leñosa liberaba 62 por ciento más azúcares simples que las plantas nativas.
"Nuestro estudio proporciona una estrategia útil para adaptar la biomasa leñosa para aplicaciones de base biológica", dijo el biólogo de Brookhaven Chang-Jun Liu, autor principal del proyecto.
La lignina constituye aproximadamente el 20 por ciento de las estructuras leñosas del álamo temblón, y los polímeros de celulosa y hemicelulosa constituyen aproximadamente el 45 y el 25 por ciento, junto con otros componentes menores.
"La lignina forma una especie de barrera alrededor de los otros polímeros", explicó Liu. "Las enzimas digestivas no pueden atravesar la celulosa y la hemicelulosa para liberar sus azúcares simples".
El trabajo previo, incluida la propia investigación de Liu que manipula las enzimas involucradas en la síntesis de lignina, ha demostrado que reducir o alterar el contenido de lignina de las plantas puede hacer que la biomasa leñosa sea más digerible. Pero muchos de estos enfoques, particularmente aquellos que redujeron drásticamente el contenido de lignina, resultaron en un debilitamientoplantas y reducciones severas en el rendimiento de biomasa, lo que hace que estas plantas no sean aptas para el cultivo a gran escala.
En este estudio, los científicos exploraron una nueva estrategia creativa para modificar la estructura de la lignina basada en un análisis detallado de las estructuras enzimáticas que previamente fueron resueltas por el grupo de Liu utilizando rayos X en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón NSLS, un usuario de la Oficina de Ciencia del DOELa instalación en Brookhaven Lab, ahora reemplazada por un NSLS-II mucho más brillante. Ese trabajo, descrito en artículos publicados en Plant Cell 2012 y el Journal of Biological Chemistry 2010 y 2015, fue parte de un esfuerzo por comprender las enzimas 'mecanismo de selectividad En esos estudios, los científicos también buscaron diseñar una serie de variaciones de la enzima, llamada monolignol 4-O-metiltransferasa, algunas de las cuales modificaron efectivamente la estructura de los bloques de construcción de lignina para que ya no se incorporaranpolímero de lignina.
En el nuevo trabajo, los científicos utilizaron análisis bioquímicos para identificar una variante de monolignol 4-O-metiltransferasa que tenía una ligera "preferencia" química para reaccionar con un tipo específico de precursor de lignina. Los científicos razonaron que esta variante tenía el potencialpara deprimir la formación de un componente de lignina particular.
Para probar esta idea, trasplantaron el gen de esta variante en una cepa de álamos temblones de rápido crecimiento, un modelo para otros árboles de la familia de los álamos, que tienen un amplio potencial para la producción de bioenergía debido a su capacidad de crecer en muchas regionesy en tierras no agrícolas. Los científicos cultivaron los álamos temblones alterados junto con árboles de control sin tratar en un invernadero en la propiedad de Brookhaven.
paredes celulares modificadas, más azúcar
Los árboles que produjeron la enzima modificada tenían un poco menos de lignina total en sus paredes celulares. Pero en un análisis más detallado, los científicos descubrieron que estos árboles también habían alterado drásticamente la estructura de la lignina, con una reducción significativa en el nivel de uno de los dos principalestipos de componentes de lignina que normalmente se encuentran en los árboles de álamo temblón. Estos hallazgos se confirmaron aún más mediante imágenes espectroscópicas de resonancia magnética nuclear bidimensional por un equipo dirigido por John Ralph de la Universidad de Wisconsin y el Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos, un Centro de Investigación de Bioenergía del DOE.Específicamente, los árboles modificados tenían menos lignina "lábil", mientras que los componentes de lignina restantes se volvieron estructuralmente más condensados, formando un mayor número de enlaces cruzados entre los polímeros.
"Esperábamos que esta lignina condensada y más reticulada pudiera hacer que las plantas fueran aún más difíciles de digerir, pero descubrimos que la madera que contenía estas estructuras liberaba hasta un 62 por ciento más de azúcares simples cuando se trataban con enzimas digestivas", dijo Liu. El rendimientode etanol de esta madera modificada fue casi un 50 por ciento más alto que el rendimiento de etanol de madera derivada de árboles de control no tratados.
Curiosamente, al obtener imágenes de muestras de madera de álamo temblón utilizando luz infrarroja en NSLS, los científicos descubrieron que su enfoque para alterar el contenido y la composición de lignina también aumentó la producción de fibras de celulosa, la principal fuente de azúcares fermentables en la pared celular. Esto aumentó el contenido de celulosa.podrían contribuir parcialmente a la mayor liberación de azúcares simples, dijeron.
Es importante destacar que los cambios en las estructuras de lignina y pared celular no afectaron el crecimiento de los álamos artificiales. Las densidades de madera y los rendimientos de biomasa fueron comparables a los de los árboles de control.
"Estos datos sugieren que la condensación de lignina en sí misma no es un factor crítico que afecta la digestibilidad de la pared celular", dijo Liu. "Los hallazgos también respaldan la idea de que la ingeniería de las enzimas que modifican los precursores de lignina representa una solución biotecnológica útil para una adaptación eficazla digestibilidad de la biomasa leñosa de la familia del álamo para generar materias primas para la producción de biocombustibles.
"Es gratificante cuando los estudios fundamentales de la función enzimática, como los hallazgos que sustentan este trabajo, pueden traducirse para contribuir a resolver problemas del mundo real", agregó.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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