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

From Wiki FKKT

(Difference between revisions)
Jump to: navigation, search
(Rezultati)
Line 10: Line 10:
==Rezultati==
==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. structure-guided iterative stauration 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.
+
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  
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  

Revision as of 16:37, 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.

Contents

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, kar daje dodatno trdnost in omogoči rastlini stabilnost ter rast v višino. Naloga lignina je prav tako ustvariti hidrofobno bariero, s čimer prepreči dostop encimom, ki razgrajujejo polisaharide.

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 bioloških kemikalij zahteva sproščanje enostavnih sladkorjev iz lesne biomase. Večina postopkov, s katerimi se odstranjuje lignin je neučinkovitih in dragih. Glavni korak k izboljšanju razgradljivosti celične stene in večjih zkoristkov biogoriv (predvsem etanola) je lahko zmanjšanje količine lignina in/ali strukturno spreminjanje lignina s pomočjo spreminjanja genov, vključenih v biosintezno pot monolignolov.

Vir

Pojdi nazaj na MBT seminarji 2017.

Personal tools