Povečana razgradnja biomase in večji izkoristek etanola z izražanjem gensko spremenjene monolignol 4-O-metiltransferaze v lesu rastlin rodu Populus: Difference between revisions

From Wiki FKKT
Jump to navigationJump to search
Line 4: Line 4:


==Zgradba in lastnosti lesa==
==Zgradba in lastnosti lesa==
Les je sekundarni ksilem, ki je zgrajen iz osrednje lamele in iz več plasti sekundarne celične stene, sestavljenih iz celuloze (40-50 %) ter hemiceluloze (25-30 %). Olesenele rastline prepoznamo predvsem po nalaganju lignina v celični steni. Molekule lignina tvorijo mrežasto strukturo in delujejo kot vezivo, ki varuje celulozo in hemicelulozo pred razgradnjo. Rastlini daje dodatno trdnost in ji omogoči stabilnost ter rast v višino. Naloga lignina je prav tako ustvariti hidrofobno bariero, s čimer prepreči dostop encimom, ki razgrajujejo polisaharide.
Les je sekundarni ksilem, ki je zgrajen iz osrednje lamele in iz več plasti sekundarne celične stene, sestavljenih iz celuloze (40-50 %) ter hemiceluloze (25-30 %). Olesenele rastline prepoznamo predvsem po nalaganju lignina v celični steni. Molekule lignina tvorijo mrežasto strukturo in delujejo kot vezivo, ki varuje celulozo in hemicelulozo pred razgradnjo. Rastlini daje dodatno trdnost in ji omogoči stabilnost ter rast v višino. Naloga lignina je prav tako ustvariti hidrofobno bariero, s čimer prepreči dostop encimom, da razgradijo polisaharide do enostavnejših sladkorjev.


==Sinteza lignina==
==Sinteza lignina==

Revision as of 16:56, 15 May 2017

Enhancing digestibility and ethanol yield of Populus wood via expression of an engineered monolignol 4-O-methyltransferase

Les je eden izmed najpomembnejših organskih materialov na svetu. Poleg tega, da je bil v zgodovini vodilni vir pridobivanja energije, se na široko uporablja tudi npr. kot gradbeni material ali pri proizvodnji papirja in izdelavi pohištva. V zadnjem času pa dobiva vse večji pomen kot vir enostavnih sladkorjev, ki služijo za pridobivanje biogoriv in nekaterih industrijsko pomembnih bioloških produktov.

Zgradba in lastnosti lesa

Les je sekundarni ksilem, ki je zgrajen iz osrednje lamele in iz več plasti sekundarne celične stene, sestavljenih iz celuloze (40-50 %) ter hemiceluloze (25-30 %). Olesenele rastline prepoznamo predvsem po nalaganju lignina v celični steni. Molekule lignina tvorijo mrežasto strukturo in delujejo kot vezivo, ki varuje celulozo in hemicelulozo pred razgradnjo. Rastlini daje dodatno trdnost in ji omogoči stabilnost ter rast v višino. Naloga lignina je prav tako ustvariti hidrofobno bariero, s čimer prepreči dostop encimom, da razgradijo polisaharide do enostavnejših sladkorjev.

Sinteza lignina

Lignini so kompleksne in heterogene polimerne makromolekule zgrajene iz 4-hidroksifenilpropanoidnih enot. Gradniki teh enot so monolignoli, in sicer p-kumaril, koniferil in sinapil alkoholi. Sinteza lignina poteče po šikimatni poti iz glukoze s pomočjo različnih encimov. Glavni encim, ki sodeluje pri sintezi ligninskih prekurzorjev je fenilalanin amonijak liaza (PAL). Sama sinteza vključuje nastanek radikalskih intermediatov iz prekurzorjev, ki reagirajo med seboj ali z že nastajajočim polimerom. Zaradi neusmerjene reakcije radikalov je struktura lignina razvejana.

Rezultati

Ugotovili so, da metilacija 4-hidroksi skupine na monolignolu prepreči nastanek lignina, ki je glavni problem pri pretvorbi rastlinske biomase do enostavnih sladkorjev oz. do biogoriv. Z naključno mutagenezo, t.i. iterativno saturacijsko mutagenezo (ang. iterative saturation mutagenesis), so pripravili variante encima O-metiltransferaze, ki katalizira 4-O-metilacijo monolignolov (MOMTji). Ekspresijsko kaseto gena MOMT4 so z Agrobacterium vnesli v hibridno trepetliko (Populus tremula x Populus alba) pod kontrolo promotorja gena za fenilalanin amonijak liazo-2 (PAL2) iz graha. Po dveh mesecih so v listih transgenih rastlin na podlagi retencijskih časov in UV spektrov zaznali dva metabolita, 4-O-metiliran koniferil alkohol in 4-O-metiliran sinapil alkohol. Prisotnost teh dveh metabolitov dokazuje pravilno delovanje mutiranega encima MOMT4, katerega naloga je modifikacija monolignolov v ustrezne 4-O-metilirane komponente.

Pri rastlinah z mutiranim MOMT4 so opazili 50% zmanjšanje količin fenolnih spojin, kot so hidroksicinamati in hidroksibenzoati. Ti se vežejo s polisaharidi in ligninom preko estrskih vezi in lahko igrajo vlogo pri spreminjanju okidacijskega potenciala monolignolov. V celici se najprej povežejo s sinapil alkoholom, nato pa se vgradijo v ligninski polimer. Kljub spremembam v sestavi in strukturi lignina ter celuloze pa ni prišlo do sprememb v razvoju in rasti oz. v procesu nastajanja rastlinske biomase. Na celičnem nivoju se je razvila normalna vaskulatura? In

Rezultati so še pokazali, da povečano izražanje MOMT4 vpliva na akumulacijo in ultrastrukturo celuloznih vlaken. Istočasno s spremembami sestave lignina in strukture MOMT4 so namreč opazili kar 51 % višjo vsebnost celotne celuloze in 15 % kristalinične celuloze, vendar na odlaganje hemiceluloze to ni imelo vpliva.

Zaključek

Proizvodnja biogoriv in drugih biološko pomembnih spojin zahteva sproščanje enostavnih sladkorjev iz lesne biomase, zato je glavni korak k izboljšanju razgradljivosti celične stene in večjih izkoristkov biogoriv (predvsem etanola) zmanjšanje količine lignina in/ali spreminjanje njegove strukture s pomočjo spreminjanja genov, vključenih v biosintezno pot monolignolov. Večina postopkov, s katerimi se odstranjuje lignin je neučinkovitih in dragih. Z izražanjem MOMT4 v hibridni trepetliki pa so znanstveniki dosegli do 62 % večje izločanje enostavnih sladkorjev in več kot 40 % večji izkoristek etanola, brez vpliva na rast in razvoj transgenih rastlin.

Vir

Pojdi nazaj na MBT seminarji 2017.