Введя в растительный лигнин химическое «слабое звено», можно сильно облегчить очистку целлюлозы от лигниновых скреп, мешающих превращению ее в биотопливо

 

 

Если мы хотим получить биотопливо из древесины, то первым делом нужно удалить из нее лигнин. Благодаря лигнину, заполняющему пространство между целлюлозными волокнами, стенки растительных клеток столь прочны и жестки, благодаря лигнину целлюлозу не атакуют патогены. Однако он же не дает ферментам эффективно переработать целлюлозу клеточных стенок в спирты (или в какую-либо иную разновидность биотоплива). Но чтобы избавиться от лигнина, нужно подвергнуть древесину довольно жесткой обработке едкой щелочью и при высокой температуре. А это дорого и неудобно. Во многом из-за таких проблем биотопливо пока еще не слишком хорошо представлено на рынке: в 2007 году министерство энергетики США предсказывало, что к 2014 году объем целлюлозного этанола составит 6 млрд л в год, однако пока что производство доросло лишь до 1% от этого посула.

Одно время биотехнологи пытались решить проблему, просто уменьшив активность растительных генов, отвечающих за синтез лигнина. Но в результате растения становились менее прочными, ломались от собственного веса и не выдерживали порывов ветра. Другой подход заключался в том, чтобы изменить саму структуру лигнина. Хотя состав лигнина варьируется у разных растений, у него все же есть три универсальных компонента — конифериловый, синапиловый и кумариновый спирты. Манипулируя с содержанием того или иного компонента, ученые надеялись сделать лигнин более удоборазлагаемым. Но и тут обнаружились свои трудности: во-первых, даже повышая уровень удоборазлагаемого компонента, потом все равно надо было удалять оставшиеся составные части лигнина — а для этого вновь приходилось использовать дорогие и неудобные жесткие условия. Во-вторых, растения с модифицированным лигнином часто росли не так, как надо, и приходилось потом еще как-то модифицировать их гены роста, чтобы добиться нормального размера.

Поэтому наиболее перспективным здесь выглядит третий путь, описанный в журнале Science группой исследователей из нескольких университетов: Висконсинского в Мэдисоне, штата Мичиган (оба — США) и Британской Колумбии (Канада). Кертис Уилкерсон (Curtis Wilkerson) и его коллеги добавили к растительному лигнину феруловую кислоту, которая соединялась одновременно с конифериловым и синапиловым спиртами. В получившемся комплексе обнаружились связи, которые можно было разорвать с гораздо меньшими усилиями (феруловая кислота сама по себе компонент вполне естественный, ее синтезируют сами растения, и некоторые из них встраивают ее в свой лигнин).

Что значит «добавить к лигнину феруловую кислоту»? Ученые вставили соответствующие гены прямо в растение — и им оказался тополь. То есть дерево само синтезировало феруловую кислоту и само добавляло ее в лигнин клеточных стенок.

По словам биотехнологов, трансгенные тополя были здоровы и нормально росли (правда, в условиях лабораторной теплицы), однако чтобы разрушить их древесину, требовались куда более мягкие условия: не 170 градусов Цельсия, а всего 100 градусов, с добавлением слабой щелочи. Это давало в два раза больше целлюлозы, доступной для ферментации, чем при проварке обычной древесины.

По сути, растениям в лигнин вставляли «слабое звено», которое позволяло легко и быстро «расстегнуть» лигниновую защиту.

Не стоит думать, что проблема с трудноразлагаемым лигнином встречает нас только в случае древесины: он есть у всех растений, в том числе у зерновых, отходы от которых в первую очередь и пытаются приспособить для получения биотоплива. Словом, сейчас авторы работы заняты такой же модифицирующей операцией с зерновыми культурами. Правда, они честно предупреждают, что приемлемого результата придется, возможно, ждать не один год — ведь полученные растения нужно будет проверить на то, не станут ли они совсем беззащитны перед вредителями и не скажется ли такая модификация на их урожайности.

 

Источник: Layne Cameron, Layne.Cameron, Krista Eastman, John Ralph Unzipping’ poplars’ biofuel potential — msutoday.msu.edu / К. Стасевич , compulenta.computerra.ru

 

На заставке фото с сайта cdn.physorg.com