Los científicos que estudian la bioquímica de las paredes celulares de las plantas han identificado una enzima que podría convertir los álamos leñosos en una fuente para producir una importante sustancia química industrial. La investigación, recién publicado en Plantas de la naturaleza , podría conducir a una nueva vía sostenible para hacer " pag -ácido hidroxibenzoico, "un componente químico que actualmente se deriva de los combustibles fósiles, en biomasa vegetal.

" PAG El ácido hidroxibenzoico es una materia prima química versátil. Puede servir como un bloque de construcción para hacer cristales líquidos, un plastificante de resina de nailon, un sensibilizador para papel térmico, y una materia prima para la fabricación de parabenos, tintes y pigmentos, "dijo Chang-Jun Liu, bioquímico de plantas en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y autor principal del artículo.

El valor de mercado global de pag El ácido hidroxibenzoico se situó en 59 millones de dólares estadounidenses en 2020 y se prevé que alcance los 80 millones de dólares en 2026. Pero el proceso actual para fabricar este importante químico se basa en productos petroquímicos. Su síntesis requiere duras condiciones de reacción (alta temperatura y alta presión) y tiene impactos ambientales negativos. Encontrar una forma económica y sostenible de hacer pag El ácido hidroxibenzoico en las plantas podría ayudar a mitigar los impactos ambientales y contribuir a una bioeconomía emergente.

"Hemos identificado una enzima clave responsable de la síntesis y acumulación de pag -hidroxibenzoato ( pag BA) —la base conjugada de pag -ácido hidroxibenzoico:en lignina, uno de los tres polímeros principales que componen el soporte estructural que rodea las células vegetales, ", dijo Liu." Este descubrimiento puede permitirnos diseñar plantas para acumular más de este componente químico en sus paredes celulares, por lo tanto, potencialmente agrega valor a la biomasa ".

Biocombustibles y bioproductos

Las paredes celulares están formadas por una combinación de polímeros en forma de cadena:celulosa, hemicelulosa, y lignina, que son la principal fuente de biomasa vegetal. Liu y otros científicos han estado explorando las vías bioquímicas que forman estos polímeros vegetales. Uno de los objetivos ha sido comprender cómo el cambio de la mezcla de polímeros podría facilitar y hacer más rentable convertir la biomasa en biocombustibles.

Lignina, que le da a las plantas integridad estructural, fuerza mecánica, e impermeabilización, es particularmente difícil de descomponer. Pero investigaciones recientes destinadas a generar etanol celulósico han impulsado avances técnicos y oportunidades para aumentar los usos y, por lo tanto, el valor de la lignina.

Los científicos han sabido que los componentes básicos que componen la lignina a menudo tienen varios grupos químicos, incluso pag LICENCIADO EN LETRAS, adjunta como cadenas laterales. Se desconocía la función exacta de estos grupos secundarios. Pero el equipo de Liu estaba interesado en explorar su influencia en la estructura y las propiedades de la lignina. Entonces, se propusieron descubrir la enzima responsable de unir pag BA a lignina.

"Si pudiéramos identificar esta enzima, y luego controlar la expresión del gen que produce esta enzima, podríamos controlar eficazmente el nivel de pag Licenciatura en biomasa de plantas bioenergéticas, "Dijo Liu.

Buscando el gen

Los científicos realizaron su estudio sobre el álamo. Esta especie de árbol de rápido crecimiento tiene una rica biomasa leñosa. Ha surgido como una materia prima renovable prometedora para la producción de biocombustibles y bioquímicos. También tiene pag BA como "decoración" de la cadena lateral principal en su lignina.

Identificar y caracterizar sistemáticamente las enzimas involucradas en la unión pag BA u otros grupos químicos a la lignina, El equipo de Liu examinó una serie de genes candidatos identificados a través de un estudio genómico relacionado del álamo.

"Clonamos 20 genes candidatos que se expresan principalmente en tejidos leñosos y codifican enzimas llamadas aciltransferasas. Estas son las enzimas más probablemente involucradas en la transferencia de grupos químicos a las moléculas aceptoras particulares, "Dijo Liu.

Los científicos expresaron las enzimas codificadas por estos genes y las mezclaron con varios componentes básicos, incluido un compuesto de carbono marcado con isótopos. El rastreo de la etiqueta de isótopos y una variedad de otras técnicas biomoleculares basadas en probetas permitió a los científicos monitorear si cada enzima candidata estaba involucrada en la unión de cadenas laterales como pag BA (o los otros grupos químicos). Pudieron concentrarse en el candidato más probable para la reacción de interés.

Comprobando firmemente la función de la enzima en las plantas, sin embargo, fue una tarea formidable. A los científicos les tomó muchos años y requirió la aparición de nuevos avances en biología molecular.

Uno de ellos fue una técnica conocida como CRISPR / Cas9, una "tijera genética" moderna que permite la edición precisa de genes en el genoma de un organismo objetivo. El equipo utilizó CRISPR / Cas9 para generar una variante de álamo en la que se había eliminado el gen candidato que codifica la enzima. El análisis posterior no encontró casi ninguna pag BA sobre la lignina en los tallos de estas plantas.

También probaron otra prueba genética al sobreexpresar el gen que produce la enzima candidata. Esas plantas acumularon mayores niveles de pag LICENCIADO EN LETRAS.

"Juntos, estos datos proporcionan una prueba concluyente de que el gen / enzima que hemos identificado puede adherirse pag BA a los bloques de construcción de lignina, "Dijo Liu.

Incrementando las plantas ' pag El contenido de BA a través de la manipulación genética podría ser una forma de producir de manera sostenible pag -ácido hidroxibenzoico.

Los científicos también encontraron que la lignina de las plantas que fueron diseñadas para acumular un pBA más bajo era más fácil de disolver en un solvente. Esto implica que, en naturaleza, pag BA ayuda a fortalecer la lignina.

Por lo tanto, Otro resultado potencial de identificar la enzima para agregar pag BA a lignina podrían ser estrategias genéticas para adaptar las propiedades químicas de la lignina.

Encapotado pag BA podría mejorar la "deslignificación" de la biomasa leñosa para procesos como el despulpado, fabricación de papel, y producción de biocombustibles.

En cambio, creciente pag Los niveles de BA en la lignina podrían mejorar la durabilidad de la madera y, al mismo tiempo, proporcionar una vía para el secuestro de carbono a largo plazo al retener más carbono en la biomasa vegetal, otro objetivo clave del DOE.

"Este trabajo es un buen ejemplo de investigación científica básica que conduce a aplicaciones posteriores potencialmente valiosas, "dijo John Shanklin, Presidente del Departamento de Biología del Laboratorio de Brookhaven.