研究植物细胞壁生物化学的科学家们发现了一种酶，可以将杨树木转化为生产主要工业化学品的来源。这项刚刚发表在《自然植物》杂志上的研究可能会导致一种新的可持续途径，用于在植物生物质中制造“对羟基苯甲酸”，这是一种目前来自化石燃料的化学构件。
“P羟基苯甲酸是一种多用途的化学原料。它可以作为一个积木用于制造液晶，尼龙树脂的增塑剂，对于热敏纸的敏化剂，和一个原料制备对羟基苯甲酸酯，染料和颜料，”说美国能源部布鲁克海文国家实验室的植物生物化学家，该论文的第一作者 Chang-Jun Liu。
2020 年对羟基苯甲酸的全球市场价值为 5900 万美元，预计到 2026 年将达到 8000 万美元。但目前制造这种重要化学品的工艺依赖于石化产品。它的合成需要苛刻的反应条件(高温和高压)并且对环境有负面影响。寻找一种经济且可持续的方法在植物中制造对羟基苯甲酸有助于减轻环境影响并促进新兴的生物经济。
“我们已经确定了负责的合成和积累的关键酶p羟基苯(pBA) -的共轭碱p-羟基苯甲酸-木质素，三个主要的聚合物中的一种构成围绕结构支撑植物细胞，”刘说。“这一发现可能使我们能够设计植物在它们的细胞壁中积累更多这种化学成分，从而有可能为生物质增加价值。”
生物燃料和生物制品
细胞壁由链状聚合物——纤维素、半纤维素和木质素——组成，它们是植物生物质的主要来源。刘和其他科学家一直在探索构建这些植物聚合物的生化途径。一个目标是了解如何改变聚合物的混合物，使将生物质转化为生物燃料更容易、更具成本效益。
赋予植物结构完整性、机械强度和防水性的木质素特别难以分解。但最近旨在生产纤维素乙醇的研究推动了技术进步和机会，以增加木质素的用途和价值。
科学家们已经知道，构成木质素的构件通常具有各种化学基团，包括作为侧链连接的pBA。这些侧基的确切功能是未知的。但刘的团队有兴趣探索它们对木质素结构和性质的影响。因此，他们着手发现负责将pBA连接到木质素的酶。
“如果我们能够识别这种酶，然后控制产生这种酶的基因的表达，我们就可以有效地控制生物能源植物生物质中pBA的水平，”刘说。
寻找基因
科学家们对杨树进行了研究。这种快速生长的树种具有丰富的木质生物量。它已成为用于生物燃料和生物基化学品生产的有前途的可再生原料。它还具有pBA 作为其木质素上的主要侧链“装饰”。
为了系统地识别和表征参与将pBA 或其他化学基团连接到木质素上的酶，刘的团队筛选了一系列通过杨树相关基因组研究确定的候选基因。
“我们克隆了 20 个主要在木质组织中表达并编码称为酰基转移酶的酶的候选基因。这些是最有可能参与将化学基团转移到特定受体分子的酶，”刘说。
科学家们表达了由这些基因编码的酶，并将每一种酶与各种构建块混合，包括一种同位素标记的碳化合物。追踪同位素标记和一系列其他基于试管的生物分子技术使科学家能够监测每种候选酶是否参与连接侧链，如pBA(或其他化学基团)。他们能够将最有可能引起兴趣反应的候选者归零。
然而，要坚定地证明这种酶在植物中的功能是一项艰巨的任务。科学家们花了很多年的时间——并且需要分子生物学的新进展。
其中之一是称为 CRISPR/Cas9 的技术，这是一种现代“遗传剪刀”，可以精确编辑目标生物基因组中的基因。该团队使用 CRISPR/Cas9 生成了一种杨树变种，其中候选酶编码基因已被删除。随后的分析发现这些植物茎中的木质素上几乎没有pBA。
他们还通过过度表达产生候选酶的基因来尝试另一种基因测试。这些植物积累了增加水平的pBA。
“这些数据共同提供了确凿的证据，证明我们鉴定的基因/酶可以将pBA连接到木质素构件上，”刘说。
通过基因操作提高植物的pBA 含量可能是可持续生产对羟基苯甲酸的一种方法。
科学家们还发现，来自被设计为积累较低 pBA 的植物的木质素更容易溶解在溶剂中。这意味着，在自然界中，pBA 有助于强化木质素。
因此，鉴定将pBA添加到木质素的酶的另一个潜在结果可能是用于定制木质素化学性质的遗传策略。
降低pBA 可能会改善制浆、造纸和生物燃料生产等过程中木质生物质的“脱木素”。
相反，增加木质素上的pBA 水平可能会提高木材的耐用性，同时还可以通过在植物生物质中锁定更多碳来提供长期碳封存的途径——美国能源部的另一个关键目标。
“这项工作是基础科学研究导致潜在有价值的下游应用的一个很好的例子，”布鲁克海文实验室生物学系主任约翰山克林说。
该研究是与日本京都大学的 Yuki Tobimatsu 和 Pui-Ying Lam 合作进行的。布鲁克海文的工作由美国能源部科学办公室(包括通过美国能源部生物能源研究中心之一的联合生物能源研究所)和布鲁克海文实验室指导的研究与开发计划资助。
