Gli scienziati che studiano la biochimica delle pareti cellulari delle piante hanno identificato un enzima che potrebbe trasformare i pioppi legnosi in una fonte per la produzione di un'importante sostanza chimica industriale. La ricerca, appena pubblicato in piante naturali , potrebbe portare a un nuovo percorso sostenibile per fare " P -acido idrossibenzoico, "un elemento chimico attualmente derivato da combustibili fossili, nella biomassa vegetale.

" P -l'acido idrossibenzoico è una materia prima chimica versatile. Può servire come elemento costitutivo per la produzione di cristalli liquidi, un plastificante di resina di nylon, un sensibilizzatore per carta termica, e una materia prima per fare parabeni, coloranti, e pigmenti, " disse Chang-Jun Liu, un biochimico vegetale presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e autore principale dell'articolo.

Il valore di mercato globale di P -l'acido idrossibenzoico ammontava a 59 milioni di dollari nel 2020 e si prevede che raggiungerà gli 80 milioni di dollari entro il 2026. Ma l'attuale processo per produrre questa importante sostanza chimica si basa sui prodotti petrolchimici. La sua sintesi richiede condizioni di reazione dure (alta temperatura e alta pressione) e ha impatti ambientali negativi. Trovare un modo economico e sostenibile per fare P -l'acido idrossibenzoico nelle piante potrebbe aiutare a mitigare gli impatti ambientali e contribuire a una bioeconomia emergente.

"Abbiamo identificato un enzima chiave responsabile della sintesi e dell'accumulo di P -idrossibenzoato ( P BA)—la base coniugata di P -acido idrossibenzoico—in lignina, uno dei tre principali polimeri che costituiscono il supporto strutturale che circonda le cellule vegetali, " ha detto Liu. "Questa scoperta potrebbe consentirci di ingegnerizzare le piante per accumulare più di questo blocco chimico nelle loro pareti cellulari, in tal modo potenzialmente aggiungendo valore alla biomassa."

Biocarburanti e bioprodotti

Le pareti cellulari sono costituite da una combinazione di polimeri a catena:cellulosa, emicellulosa, e lignina, che sono la principale fonte di biomassa vegetale. Liu e altri scienziati hanno esplorato i percorsi biochimici che costruiscono questi polimeri vegetali. Uno degli obiettivi è stato quello di capire come cambiare il mix di polimeri potrebbe rendere più semplice e conveniente convertire la biomassa in biocarburanti.

lignina, che conferisce alle piante integrità strutturale, resistenza meccanica, e impermeabilizzazione, è particolarmente difficile da abbattere. Ma la recente ricerca mirata alla generazione di etanolo cellulosico ha guidato i progressi tecnici e le opportunità per aumentare gli usi e quindi il valore della lignina.

Gli scienziati sanno che i mattoni che compongono la lignina hanno spesso vari gruppi chimici, Compreso P BA, attaccati come sidechain. L'esatta funzione di questi gruppi laterali era sconosciuta. Ma il team di Liu era interessato a esplorare la loro influenza sulla struttura e sulle proprietà della lignina. Così, hanno deciso di scoprire l'enzima responsabile dell'attaccamento P BA alla lignina.

"Se potessimo identificare questo enzima, e quindi controllare l'espressione del gene che produce questo enzima, potremmo controllare efficacemente il livello di P BA nella biomassa degli impianti di bioenergia, " ha detto Liù.

Alla ricerca del gene

Gli scienziati hanno condotto il loro studio sul pioppo. Questa specie di albero a crescita rapida ha una ricca biomassa legnosa. È emerso come una promettente materia prima rinnovabile per la produzione di biocarburanti e prodotti chimici a base biologica. Ha anche P BA come "decorazione" principale della catena laterale sulla sua lignina.

Per identificare e caratterizzare sistematicamente gli enzimi coinvolti nell'attaccamento P BA o altri gruppi chimici alla lignina, Il team di Liu ha esaminato una serie di geni candidati identificati attraverso uno studio genomico correlato del pioppo.

"Abbiamo clonato 20 geni candidati che sono espressi principalmente nei tessuti legnosi e codificano enzimi chiamati aciltransferasi. Questi sono gli enzimi più probabilmente coinvolti nel trasferimento di gruppi chimici alle particolari molecole accettore, " ha detto Liù.

Gli scienziati hanno espresso gli enzimi codificati da questi geni e li hanno miscelati con vari elementi costitutivi, compreso un composto di carbonio marcato con isotopi. Tracciare l'etichetta dell'isotopo e una serie di altre tecniche biomolecolari basate su provetta ha permesso agli scienziati di monitorare se ciascun enzima candidato fosse coinvolto nell'attaccamento di catene laterali come P BA (o gli altri gruppi chimici). Sono stati in grado di individuare il candidato più probabile per la reazione di interesse.

Dimostrando fermamente la funzione dell'enzima nelle piante, però, era un compito formidabile. Ci sono voluti molti anni agli scienziati e l'emergere di nuovi progressi nella biologia molecolare.

Uno di questi era una tecnica nota come CRISPR/Cas9, una moderna "forbice genetica" che consente l'editing preciso dei geni nel genoma di un organismo bersaglio. Il team ha utilizzato CRISPR/Cas9 per generare una variante di pioppo in cui il gene codificante per l'enzima candidato era stato eliminato. L'analisi successiva non ha rilevato quasi nulla P BA sulla lignina negli steli di queste piante.

Hanno anche provato un altro test genetico sovraesprimendo il gene che produce l'enzima candidato. Quelle piante hanno accumulato livelli aumentati di P BA.

"Insieme questi dati forniscono la prova conclusiva che il gene/enzima che abbiamo identificato può attaccarsi P BA ai mattoni della lignina, " ha detto Liù.

Aumentare le piante' P Il contenuto di BA attraverso la manipolazione genetica potrebbe essere un modo per produrre in modo sostenibile P -acido idrossibenzoico.

Gli scienziati hanno anche scoperto che la lignina delle piante progettate per accumulare pBA più bassi era più facile da sciogliere in un solvente. Questo implica che, in natura, P BA aiuta a rafforzare la lignina.

Perciò, un altro potenziale risultato dell'identificazione dell'enzima per l'aggiunta P La BA alla lignina potrebbe essere strategie genetiche per adattare le proprietà chimiche della lignina.

Abbassamento P BA potrebbe migliorare la "delignificazione" della biomassa legnosa per processi come la spappolamento, fabbricazione della carta, e produzione di biocarburanti.

Al contrario, crescente P I livelli di BA sulla lignina potrebbero potenzialmente migliorare la durabilità del legno fornendo anche un percorso per il sequestro del carbonio a lungo termine bloccando più carbonio nella biomassa vegetale, un altro obiettivo chiave del DOE.

"Questo lavoro è un buon esempio di ricerca scientifica di base che porta ad applicazioni a valle potenzialmente preziose, " disse John Shanklin, Presidente del dipartimento di biologia del laboratorio di Brookhaven.