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(noticias nanowerk) Los biólogos vegetales del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado enzimas para modificar las plantas herbáceas de modo que su biomasa pueda convertirse de manera más eficiente en biocombustibles y otros bioproductos. Como se describe en un artículo recién publicado. Revista de biotecnología vegetal (“Supresión simultánea de la biosíntesis de lignina, tricina y fenol unido a la pared mediante la expresión de monolignol 4-O-metiltransferasas en arroz”), estas enzimas modifican las moléculas que forman las paredes celulares de las plantas para permitir el acceso a los azúcares productores de combustible normalmente atrapados. dentro de ellos hay estructuras complejas.
Las tesis centrales
Investigación
«El concepto de convertir biomasa en biocombustible parece simple, pero técnicamente es muy difícil liberar los azúcares», señaló Chang-Jun Liu, biólogo vegetal senior del Brookhaven Lab que dirigió el estudio.
La biomasa vegetal está llena de moléculas de azúcar complejas y ricas en energía creadas mediante la fotosíntesis. Cada célula vegetal está rodeada por una pared celular rígida hecha de azúcares y un material llamado lignina que proporciona soporte estructural. Reducir la lignina para acceder a los azúcares es el foco de la investigación destinada a utilizar plantas para producir combustibles y otros productos comúnmente elaborados a partir del petróleo.
Durante casi 15 años, Liu ha estado abordando este problema mediante el uso de enzimas genéticamente modificadas llamadas monolignol-4-O-metiltransferasas (MOMT). Estas enzimas, que no se encuentran en la naturaleza, tienen como objetivo cambiar la estructura química de los monolignoles, los principales componentes básicos de la lignina. Cambiar la estructura de los bloques de construcción impide que se unan entre sí, lo que reduce el contenido de lignina de las plantas y hace que los azúcares sean más accesibles.
En trabajos anteriores (comunicación de la naturaleza“Mejorar la digestibilidad y el rendimiento de etanol de populus Madera arriba Expresión de una monolignol 4-O-metiltransferasa diseñada»), Liu y sus colegas expresaron con éxito MOMT en álamos. Estas enzimas redujeron el contenido de lignina de los árboles y permitieron una liberación más abundante de azúcar de las plantas. En la nueva investigación, probaron la posibles aplicaciones de enzimas MOMT en plantas de pasto que tienen altos rendimientos de biomasa. Los pastos también pueden crecer en ambientes hostiles, como suelos que carecen de agua o nutrientes. El cultivo de plantas diseñadas en tales ambientes podría potencialmente producir grandes cantidades de biomasa optimizada para esta conversión en combustibles y bioproductos, sin competir por la tierra necesaria para cultivar alimentos.
«Sin embargo, las paredes celulares de las plantas herbáceas, como las de las plantas de arroz que estudiamos, son aún más complicadas en términos de estructura y composición», explicó Nidhi Dwivedi, investigador asociado del Brookhaven Lab y autor principal del nuevo artículo. Además de azúcar y lignina, las paredes celulares de las plantas herbáceas también contienen compuestos fenólicos adicionales que «entrecruzan» los componentes de la pared celular, haciéndolos aún más fuertes y más difíciles de descomponer.
«La complejidad de las paredes celulares de las plantas de pasto nos hizo sentir curiosidad por saber si nuestras enzimas mejorarían la recuperación de azúcar», señaló Liu. «Queríamos saber si los MOMT pueden modificar las paredes celulares de la hierba para permitir el acceso a la biomasa».
Menos lignina, más azúcar
Para este estudio, Liu y Dwivedi se centraron en dos versiones de la enzima (MOMT4 y MOMT9), cada una diseñada para modificar una subunidad de lignina diferente.
Trabajando con colaboradores de la Universidad de Kyoto en Japón, el equipo de Liu realizó análisis químicos en plantas de arroz que expresaban MOMT4 o MOMT9. Estos estudios demostraron que las plantas de pasto modificadas contenían menos lignina en comparación con las plantas no modificadas. Los empleados de la Universidad Estatal de los Apalaches en Carolina del Norte examinaron secciones de las cepas de plantas modificadas utilizando microscopía electrónica de barrido y observaron cambios que eran consistentes con los análisis químicos.
«En todo el tallo, las paredes celulares parecían más delgadas», dijo Dwivedi. “Y en algunas celdas las paredes incluso parecían deformadas o abolladas”.
Con menos lignina en las paredes celulares, los científicos pudieron recolectar hasta un 30% más de azúcar de las plantas que expresan MOMT4 y hasta un 15% más de azúcar de las plantas que expresan MOMT9 en comparación con las plantas no modificadas. Mediante un proceso llamado fermentación, este azúcar se puede convertir en biocombustibles como el etanol, un aditivo común utilizado para reducir la cantidad de combustibles fósiles en la gasolina.
Enzimas sorprendentemente promiscuas
Las enzimas (moléculas que generalmente permiten reacciones químicas) generalmente se dirigen a un solo tipo de molécula. MOMT4 y MOMT9 fueron diseñados para actuar sobre monolignoles. Pero cuando Liu y sus colegas realizaron pruebas con estas enzimas, los resultados mostraron que estas enzimas diseñadas exhibían «promiscuidad». Ambos MOMT actuaron no sólo sobre los monolignoles, sino también sobre otros componentes de la pared celular: los fenoles reticulantes y también un fenol llamado tricina, un precursor de la lignina que se encuentra sólo en las plantas herbáceas.
Cuando estas enzimas se expresaron en las plantas de arroz, provocaron los cambios estructurales esperados en los componentes básicos de la lignina tradicionales, reduciendo así el contenido general de lignina de las plantas. Sin embargo, al alterar las estructuras de los fenoles y la tricina entrecruzados, los MOMT también redujeron la incorporación de estos compuestos en las paredes celulares, debilitándolas aún más. Los científicos también encontraron una acumulación de fenoles modificados en el tejido vegetal restante que no se producía en las plantas no modificadas.
«Esto fue bastante diferente de lo que vimos cuando expresamos las mismas enzimas en los álamos», señaló Liu. “Las implicaciones más amplias de la expresión de las enzimas realmente nos sorprendieron. En general, los cambios en términos de optimización del rendimiento de azúcar de las paredes celulares de la hierba fueron positivos. Pero también hubo algunos efectos no deseados”.
Por ejemplo, las plantas que expresaban MOMT9 no crecían tan alto como las plantas no modificadas, lo que reducía la cantidad de biomasa de la que se podía extraer el azúcar. Las plantas tampoco podrían producir semillas, lo que plantearía un problema si los científicos quieren propagar las plantas modificadas como fuente sostenible de azúcar para biocombustible.
Para abordar estos desafíos, los científicos planean explorar métodos para controlar cómo se modifica la lignina en diferentes partes de la planta. Por ejemplo, si los científicos pueden reducir los niveles de lignina en todas partes de la planta excepto en los órganos reproductivos, podrían maximizar la capacidad de extraer azúcar sin afectar la fertilidad de las plantas.
Los científicos también quieren saber si sus enzimas MOMT pueden optimizar el rendimiento de azúcar de otras especies de plantas herbáceas.
«Después de ver la eficacia de esta tecnología enzimática en el arroz, confiamos en que se puede utilizar para modificar otros cultivos energéticos de pastos como el sorgo y el bambú», dijo Liu.
«Los biocombustibles son una alternativa prometedora a las fuentes de energía no renovables», añadió Dwivedi. «Este estudio proporciona información sobre cómo los científicos pueden optimizar la liberación de azúcares presentes en las paredes celulares, evitando así algunos de los desechos producidos por los cultivos de biomasa no modificados».
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