«Сможем создать «новые растения»

Все виды биологического сырья, из которого потенциально можно производить топливо, делятся на два вида. Сырье первого поколения – это биомасса съедобных растений, богатых крахмалом или жирами (масличные культуры). Сырье второго поколения – это непищевые органические отходы, например стебли съедобных злаков, многолетние травы, водоросли.

Наиболее перспективным является более массовое сырье второго поколения, в частности лигноцеллюлоза. Так называют несъедобный растительный материал, состоящий в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.

Именно лигнин, важнейший компонент древесины и ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах и в медицине, считают будущим биотопливной промышленности, ее завтрашним днем.

Однако день сегодняшний не очень жалует это сырье: лигноцеллюлозу куда сложнее, чем пищевые продукты, перерабатывать в топливо. Это процесс энергозатратный – он должен еще пройти путь значительной оптимизации до внедрения в промышленность. Лигноцеллюлоза выигрывает в другом – в широкой доступности сырья, в том числе в возможности переработки неиспользуемых сейчас отходов. Здесь и отходы деревообрабатывающей промышленности (стружка и т. п.), сельскохозяйственные отходы (солома, стебли кукурузы), бумага и бумажные отходы, а также «энергетические» культуры: прутьевидное просо, тростник или быстрорастущие «сорные» тополя.

Проблема внедрения биологического топлива заключается в том, что сырье первого поколения, простое в переработке, малодоступно, а сырье второго поколения перерабатывать очень сложно.

Разница в том, что большая часть биосырья первого типа, сахар и крахмал например, состоит из гексоз (углеводов, состоящих из 6 атомов углерода). Такие углеводы легко сбраживаются в обычных условиях. А вот для ферментации продуктов гидролиза гемицеллюлозы необходимо сбраживать пентозы (углеводы с пятью атомами углерода), для чего годятся только специальные микроорганизмы.

Одна из технологических задач, стоящих перед разработчиками технологий производства биотоплива, – это создание более эффективных и устойчивых к условиям среды бактерий, которые могли бы перерабатывать любые углеводы.

Однако лигнин (материал, который обеспечивает прочность стеблей растений, их клеточных стенок) вообще не является углеводом и поэтому не подлежит ферментации и переработке в биотопливо. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории выяснили, как устроены плотные клеточные стенки растений, и надеются, что это поможет выработать эффективные методы переработки растений для получения биотоплива. Их работу публикует Proceedings of the National Academy of Sciences.

В своей статье исследователи описывают, как вещества-предшественники лигнина проходят через клеточные мембраны перед тем, как внутри полимеризоватьтся. Оказалось, что для этого необходим особый «ключ» – специальные транспортные молекулы. Ученые надеются, что они станут «трещиной в броне» лигнина и позволят его перерабатывать.

«Если нам удастся управлять биосинтезом лигнина, то мы сможем существенно улучшить и интенсифицировать выработку возобновимого топлива из целлюлозно-бумажных отходов.

Кроме того, мы сможем усовершенствовать промышленные процессы производства бумаги и легкоусвояемой пищи для жвачных животных», – отметил Чан-Юнь Лю, ведущий автор работы.

Лигнин – высокомолекулярное вещество, которое получается при полимеризации ароматических спиртов (в основном кониферилового спирта; такие спирты, в свою очередь, получаются из аминокислоты, фенилаланина). Эти спирты производятся внутри клетки, в цитоплазме. Часть их запасаются в таком органоиде клетки, как вакуоль, а часть выходят к поверхности клетки, связываются и образуют там лигнин – компонент клеточной стенки, который служит защитным и формообразующим барьером. В обоих случаях спирты успешно проникают через клеточные мембраны – либо внешнюю, чтобы выйти к клеточной стенке, либо внутреннюю, чтобы войти в вакуоль.

Однако до сих пор не было известно, как это происходит: либо за счет простой диффузии, либо с помощью некого специального механизма.

Ученые из Брукхейвена выделили фрагменты клеточных и вакуолярных мембран тополя, свернув их в закрытые «пузырьки», и поместили в ароматические спирты, из которых синтезируется лигнин. Дополнительно был проведен аналогичный эксперимент с глюкозидами – комплексами таких спиртов с глюкозой, которые образуются в клетке. Они проследили, как вещества проходят через мембраны и как на это влияет добавление других биомолекул.

Оказалось, что чистые спирты успешно проходят через внешнюю клеточную мембрану, тогда как их глюкозиды перемещаются в вакуоли. Что еще более важно, транспорт спиртов через мембраны был возможен только при наличии АТФ (аденозинтрифосфата) – «энергетической валюты» клетки. Именно в этих молекулах растения накапливают энергию, запасенную при фотосинтезе. Проведение экспериментов со специальными ингибиторами показало, что именно АТФ ответственен за успешный транспорт через мембраны.

«Если мы сможем точно определить, какие именно мембраны отвечают за транспорт предшественников лигнина, мы сможем создать «новые растения», более полезные для производства биотоплива, то есть содержащие меньше лигнина.

Мы надеемся сделать это, остановив транспорт ароматических спиртов через клеточную мембрану и предотвратив осаждение дополнительных количеств лигнина на клеточной стенке», – отметил Лю.