释放糖来生产生物燃料和生物产品

(DOE) 布鲁克海文国家实验室的植物生物学家已经设计出酶来改造草类植物，使其生物质能更有效地转化为生物燃料和 其他 生物 产品。正如刚刚发表在 《植物生物技术杂志》上的一篇论文所述 ， 这些酶修饰构成植物细胞壁的分子，以提供通常锁定在复杂结构内的产生燃料的糖。

“将生物质转化为生物燃料的概念看似简单，但释放糖在技术上非常困难，”领导这项研究的布鲁克海文实验室高级植物生物学家 Chang-Jun Liu 指出。

植物生物质充满了光合作用产生的富含能量的复杂糖分子。每个植物细胞都被坚硬的细胞壁包围，该细胞壁由糖和提供结构支撑的木质素材料制成。减少木质素以获得糖一直是旨在利用植物生产燃料和其他通常由石油制成的产品的研究的重点。

近 15 年来，Liu 一直在使用称为单体木质醇 4- O-甲基转移酶 (MOMT) 的工程酶来解决这个问题。这些酶在自然界中并不存在，旨在改变木质素单体(木质素的主要组成部分)的化学结构。改变构建块的结构可以防止它们连接在一起，从而减少植物的木质素含量并使糖更容易获得。

在之前的工作中，刘和他的同事 成功地在杨树中表达了MOMTs。这些酶降低了树木的木质素含量，并使植物释放出更丰富的糖分。在这项新研究中，他们测试了 MOMT 酶在生物质产量丰富的草类植物中的潜在应用。草也可以在恶劣的环境中生长，例如缺乏水或养分的土壤。在这种环境中培育工程植物可能会产生大量生物质，这些生物质经过优化可转化为燃料和生物产品，而无需争夺生产粮食作物所需的土地。

“然而，草类植物的细胞壁，就像我们研究的水稻植物的细胞壁一样，在结构和组成方面更加复杂，”布鲁克海文实验室研究员兼新论文的主要作者 Nidhi Dwivedi 解释道。除了糖和木质素之外，草类植物细胞壁还含有额外的酚类化合物，这些酚类化合物可以“交联”细胞壁成分，使它们更加坚固，更难以分解。

“草类植物细胞壁的复杂性让我们好奇我们的酶是否会提高糖的回收率，”刘指出。“我们想知道 MOMT 是否可以以提供生物质的方式修改草细胞壁。”

更少的木质素，更多的糖

Liu 和 Dwivedi 选择在本研究中重点关注两种版本的酶——MOMT4 和 MOMT9——每种都被设计用来修饰不同的木质素亚基。

Liu 的团队与日本京都大学的合作者合作，对表达 MOMT4 或 MOMT9 的水稻植株进行了化学分析。这些研究表明，与未改变的植物相比，改良的草植物中的木质素较少。北卡罗来纳州阿巴拉契亚州立大学的合作者使用扫描电子显微镜检查了改良植物茎的部分，并观察到与化学分析一致的变化。

“整个茎的细胞壁显得更薄，”德维迪说。“有些牢房的墙壁甚至看起来变形或弯曲。”

由于细胞壁中的木质素较少，与未改变的植物相比，科学家们能够从表达 MOMT4 的植物中收集最多 30% 的糖，在表达 MOMT9 的植物中收集最多 15% 的糖。通过发酵过程，这种糖可以转化为乙醇等生物燃料，乙醇是一种常见的添加剂，用于降低汽油中的化石燃料含量。

令人惊讶的混杂酶

酶——通常促进化学反应的分子——通常只针对一种类型的分子。MOMT4 和 MOMT9 被设计用于作用于木质素单体。但当刘和他的同事对这些酶进行测试时，结果显示这些工程酶表现出“混杂性”。除了作用于木质素单体之外，两种 MOMT 还作用于其他细胞壁成分——交联酚类以及一种称为三辛(tricin)的酚类，它是草类植物特有的木质素前体。

当这些酶在水稻植物中表达时，它们对传统木质素构件进行了预期的结构变化，从而降低了植物的总体木质素含量。但通过改变交联酚类和三辛酸的结构，MOMT 还减少了这些化合物与细胞壁的结合，进一步削弱了它们。科学家们还在植物组织的其余部分中发现了改性酚类物质的积累，而这在未改变的植物中是不存在的。

“这与我们在杨树中表达相同酶时所看到的有很大不同，”刘指出。“表达酶的更广泛影响确实让我们感到惊讶。总体而言，这些变化对于优化草细胞壁的糖产量而言是积极的。但也有一些意想不到的影响。”

例如，表达 MOMT9 的植物长得不如未改变的植物高，从而减少了可获取糖的生物量。这些植物也无法产生种子，如果科学家希望转基因植物能够作为生物燃料糖的可持续来源进行繁殖，这将是一个问题。

为了应对这些挑战，科学家们计划探索控制木质素在植物不同部位的修饰方式的方法。例如，如果科学家能够降低植物中除生殖器官以外的各处的木质素水平，他们就可以最大限度地提高提取糖的能力，而不影响植物的生育能力。

科学家们还想看看他们的 MOMT 酶是否可以优化其他草类植物的糖产量。

“在看到这种酶技术在水稻中的有效性后，我们有信心将其用于改良高粱和竹子等其他草能源作物，”刘说。

“生物燃料是不可再生能源的一种很有前途的替代品，”Dwivedi 补充道，“这项研究为科学家如何优化细胞壁中糖的释放提供了见解，从而克服了未改性生物质作物产生的一些浪费。 ”。

这项工作主要由科学办公室资助。