View source

'''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==
Znanstveniki so želeli pripraviti rastline z manjšo količino lignina v celični steni, saj je glavni problem pri pretvorbi rastlinske biomase do enostavnih sladkorjev. Ugotovili so, da metilacija 4-hidroksi skupine na monolignolu prepreči njegov nastanek. 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). Za katalitično najučinkovitejšo se je izkazala varianta MOMT4. 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. 

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 produktov zahteva sproščanje enostavnih sladkorjev iz lesne biomase. Glavni korak k izboljšanju razgradljivosti celične stene in večjih izkoristkov biogoriv (predvsem etanola) je 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]].