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Científicos de bioenergía descubren vía genética para un mejor procesamiento de biocombustibles

Una instalación de investigación de invernadero en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizada en el desarrollo de cultivos bioenergéticos avanzados. Crédito: Carlos Jones/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Un equipo de investigadores que trabaja en el Centro de Innovación Bioenergética (CBI) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ha descubierto una vía para fomentar un tipo de formación de lignina en las plantas que podría facilitar y reducir la transformación de cultivos para productos como combustibles sostenibles para aviones. querido.


Los investigadores se centraron en la lignina C, un polímero presente en la cubierta de la semilla de ciertas plantas exóticas. La lignina, el polímero que da a las plantas su rigidez, es una buena fuente de componentes básicos y químicos aromáticos necesarios para producir biocombustibles limpios. Pero la lignina también es difícil de procesar, especialmente las ligninas G y S más comunes que se encuentran en la mayoría de las plantas.

La lignina C tiene una estructura química más lineal que otras ligninas, lo que facilita su deconstrucción. Los científicos que trabajan para CBI, un Centro de Investigación de Bioenergía del Departamento de Energía de EE. UU., ahora han identificado el mecanismo genético involucrado en la formación de esta lignina C preferida, como se detalla en Los científicos progresan. Los científicos esperan diseñar cultivos bioenergéticos para formar lignina C mientras limitan el crecimiento de ligninas G/S, lo que podría conducir a un bioprocesamiento más asequible y de mayor rendimiento.

Las ligninas G/S forman estructuras poliméricas muy parecidas a una red de pesca con ramas y nudos, mientras que la lignina C es más como una cuerda, explicó Jerry Tuskan, director gerente de CBI en ORNL. «Puedes imaginar que sería más difícil separar una red de pesca que una cuerda que se deshace».

En el futuro, Tuskan dijo que los investigadores quieren integrar este polímero en sus principales materias primas de álamo y pasto varilla para ayudar a romper las paredes celulares y convertirlas en combustibles de aviación sostenibles.

El Instituto de BioDiscovery de la Universidad del Norte de Texas, socio de CBI e institución líder en el proyecto, ha estado estudiando la lignina C durante algún tiempo, desde que el investigador universitario Fang Cheng descubrió por primera vez la polímeroen los tegumentos de la vaina de vainilla en 2011.

“¿Cómo se produce lignina C en una planta que normalmente no la produce? preguntó Richard Dixon, profesor investigador emérito de ciencias biológicas en la UNT. «Abordamos esto de dos maneras. Una de ellas es una especie de prueba y error y conjeturas: ponerlo en las plantas que no lo hacen de forma natural y ver qué sucede. El otro es tratar de entender realmente cómo es la lignina C. hecho en una planta que lo hace naturalmente».

Los científicos observan un cambio completo a la lignina C

Chunliu Zhuo, investigador postdoctoral en la UNT, recientemente hizo un nuevo descubrimiento sobre cómo las plantas producen lignina C mientras estudiaba la cleoma o planta araña. Cleome produce lignina G en sus cubiertas de semillas durante los primeros 12 a 14 días después de la polinización. Luego cambia a producir solo lignina C.

«Te imaginas que si el cleoma cambia de lignina G a lignina C en algún momento, podría producir lignina GC mixta», dijo Dixon. «No lo es. Es bastante notable. Cambia por completo».

En ORNL, un equipo dirigido por Tim Tschaplinski de la División de Biociencias informó la investigación con un análisis de la formación de C-lignina a nivel molecular.

Los científicos han descubierto que los componentes básicos de ambos tipos de lignina aún se encuentran en las plantas, pero ambos no se conectan para formar las cadenas de lignina, un proceso conocido como polimerización. Flotan en las células pero no se unen para formar lignina G/C.

«Me sorprendieron totalmente los bloques de construcción G. Descubrimos que incluso más tarde en el desarrollo, no se produce lignina G, pero todavía hay una gran cantidad de bloques de construcción G. Y todavía se están fabricando», dijo Zhuo. «Nos llevó a ver cómo la planta hace esto. ¿Por qué solo produce lignina C cuando hay tantos bloques de construcción G libres alrededor?»

Los investigadores esperaban que ocurriera un proceso complicado en la planta que involucrara enzimas y múltiples pasos, pero debido a que el cambio parece ser tan repentino y completo, ahora creen que el proceso es en realidad mucho más simple de lo que no creían antes.

«Dado que esto está sucediendo al mismo tiempo, y la lignina C ha evolucionado recientemente en muchas especies de plantas», dijo Dixon, «eso significa que tiene que ser simple».

«No es como si hace 100 o 200 millones de años las plantas desarrollaran repentinamente lignina C y ahora todas la tienen. Es solo que algunas la tienen y otras no, a pesar de que son especies estrechamente relacionadas», señaló Dixon. «Chunliu descubrió que tan pronto como la planta produce los bloques de construcción C, la conversión de los bloques de construcción G en lignina se inhibirá».

El descubrimiento avanza en el objetivo de mejores cultivos de biomasa

Los investigadores ahora creen que los bloques de construcción de lignina C actúan para prevenir la formación de cadenas que contienen bloques de construcción G. Al comprender este mecanismo, los científicos están un paso más cerca de desarrollar cultivos que contienen principalmente lignina C. Si el proceso es tan simple, entonces la ingeniería puede ser más fácil. de lo que pensaban. Solo tendrían que introducir genes que activen la lignina C, no activarla y luego inhibir la lignina G, que es lo que esperaban originalmente.

«Nos acerca a la ingeniería las plantas con lignina C en el sentido de que nos dice algo que no necesitamos hacer, algo de lo que no debemos preocuparnos”, dijo Dixon.

«Hasta este descubrimiento, la lignina C se conocía como un componente menor y más pequeño de las moléculas de lignina más grandes que se encuentran en las paredes celulares de las plantas», dijo Tuskan. «Nunca se había considerado una fracción lo suficientemente grande como para ser comercialmente importante. Pero ahora, al introducir lignina C en las paredes celulares, podríamos reducir los requisitos de energía para el proceso de deconstrucción. Este trabajo es uno de los muchos pasos hacia una bioeconomía económicamente viable.


Variedades de aromáticos funcionalizados expandidos por escisión de lignina con participación de heteroátomos


Más información:
Chunliu Zhuo et al, los cambios de desarrollo en la composición de la lignina están impulsados ​​tanto por el suministro de monolignol como por la especificidad de la lacasa, Los científicos progresan (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm8145

Cita: Bioenergy Scientists Discover Genetic Pathway for Better Biofuel Processing (9 de marzo de 2022) Consultado el 9 de marzo de 2022 en https://phys.org/news/2022-03-bioenergy-scientists-genetic-pathway-biofuel.html

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