Cientistas que estudam a bioquímica das paredes celulares das plantas identificaram uma enzima que pode transformar choupos lenhosos em uma fonte para a produção de um grande produto químico industrial. A pesquisa, acabado de publicar em Plantas Naturais , poderia levar a um novo caminho sustentável para fazer " p ácido -hidroxibenzoico, "um bloco de construção químico atualmente derivado de combustíveis fósseis, na biomassa vegetal.

" P O ácido hidroxibenzóico é uma matéria-prima química versátil. Ele pode servir como um bloco de construção para fazer cristais líquidos, um plastificante de resina de náilon, um sensibilizador para papel térmico, e uma matéria-prima para fazer parabenos, tintas, e pigmentos, "disse Chang-Jun Liu, um bioquímico vegetal no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e principal autor do artigo.

O valor de mercado global de p -ácido hidroxibenzóico ficou em US $ 59 milhões em 2020 e está projetado para chegar a US $ 80 milhões em 2026. Mas o processo atual para fazer este importante produto químico depende da petroquímica. Sua síntese requer condições de reação adversas (alta temperatura e alta pressão) e tem impactos ambientais negativos. Encontrar uma maneira econômica e sustentável de fazer p O ácido hidroxibenzóico em plantas pode ajudar a mitigar os impactos ambientais e contribuir para uma bioeconomia emergente.

"Identificamos uma enzima chave responsável pela síntese e acúmulo de p -hidroxibenzoato ( p BA) - a base conjugada de p ácido -hidroxibenzóico - em lignina, um dos três principais polímeros que compõem o suporte estrutural que envolve as células vegetais, "disse Liu." Esta descoberta pode nos permitir projetar plantas para acumular mais deste bloco de construção químico em suas paredes celulares, assim, potencialmente agregando valor à biomassa. "

Biocombustíveis e bioprodutos

As paredes celulares são feitas de uma combinação de polímeros em cadeia - celulose, hemicelulose, e lignina - que são a principal fonte de biomassa vegetal. Liu e outros cientistas têm explorado as vias bioquímicas que constroem esses polímeros vegetais. Um dos objetivos foi entender como a alteração da mistura de polímeros poderia tornar mais fácil e econômica a conversão de biomassa em biocombustíveis.

Lignina, que dá às plantas integridade estrutural, força mecânica, e impermeabilização, é particularmente difícil de quebrar. Mas pesquisas recentes destinadas a gerar etanol celulósico têm impulsionado avanços técnicos e oportunidades para aumentar os usos e, portanto, o valor da lignina.

Os cientistas sabem que os blocos de construção que compõem a lignina muitas vezes têm vários grupos químicos, Incluindo p BA, anexado como cadeias laterais. A função exata desses grupos laterais era desconhecida. Mas a equipe de Liu estava interessada em explorar sua influência na estrutura e nas propriedades da lignina. Então, eles começaram a descobrir a enzima responsável por anexar p BA para lignina.

"Se pudéssemos identificar esta enzima, e então controlar a expressão do gene que faz esta enzima, poderíamos controlar efetivamente o nível de p BA em biomassa de usinas de bioenergia, "Liu disse.

Procurando pelo gene

Os cientistas realizaram seu estudo em choupo. Esta espécie de árvore de crescimento rápido possui rica biomassa lenhosa. Ele surgiu como uma promissora matéria-prima renovável para biocombustíveis e produção de produtos químicos de base biológica. Também tem p BA como principal "decoração" da cadeia lateral em sua lignina.

Para identificar e caracterizar sistematicamente a (s) enzima (s) envolvida (s) na ligação p BA ou outros grupos químicos para lignina, A equipe de Liu examinou uma série de genes candidatos identificados por meio de um estudo genômico relacionado de choupo.

"Nós clonamos 20 genes candidatos que são expressos principalmente em tecidos lenhosos e codificam enzimas chamadas aciltransferases. Estas são as enzimas mais provavelmente envolvidas na transferência de grupos químicos para as moléculas aceitantes específicas, "Liu disse.

Os cientistas expressaram as enzimas codificadas por esses genes e misturaram cada uma com vários blocos de construção, incluindo um composto de carbono marcado com um isótopo. O rastreamento do rótulo do isótopo e uma série de outras técnicas biomoleculares baseadas em tubos de ensaio permitiram aos cientistas monitorar se cada enzima candidata estava envolvida na ligação de cadeias laterais, como p BA (ou os outros grupos químicos). Eles foram capazes de apontar o candidato mais provável para a reação de interesse.

Provando firmemente a função da enzima nas plantas, Contudo, foi uma tarefa formidável. Os cientistas levaram muitos anos - e exigiu o surgimento de novos avanços na biologia molecular.

Uma delas era uma técnica conhecida como CRISPR / Cas9, uma "tesoura genética" moderna que permite a edição precisa de genes no genoma de um organismo-alvo. A equipe usou CRISPR / Cas9 para gerar uma variante de choupo em que o gene que codifica a enzima candidato foi excluído. A análise subsequente encontrou quase nenhum p BA na lignina nos caules dessas plantas.

Eles também tentaram outro teste genético superexpressando o gene que produz a enzima candidata. Essas plantas acumularam níveis elevados de p BA.

"Juntos, esses dados fornecem uma prova conclusiva de que o gene / enzima que identificamos pode se ligar p BA para os blocos de construção de lignina, "Liu disse.

Aumentando as plantas ' p O conteúdo BA por meio da manipulação genética pode ser uma forma de produzir de forma sustentável p ácido -hidroxibenzóico.

Os cientistas também descobriram que a lignina de plantas projetadas para acumular pBA menor era mais fácil de dissolver em um solvente. Isso implica que, na natureza, p BA ajuda a fortalecer a lignina.

Portanto, outro resultado potencial de identificar a enzima para adicionar p BA para lignina pode ser uma estratégia genética para ajustar as propriedades químicas da lignina.

Abaixando p BA pode melhorar a "deslignificação" da biomassa lenhosa para processos como polpação, fabricação de papel, e produção de biocombustíveis.

Por outro lado, aumentando p Os níveis de BA na lignina podem aumentar a durabilidade da madeira ao mesmo tempo em que fornecem um caminho para o sequestro de carbono a longo prazo, prendendo mais carbono na biomassa vegetal - outro objetivo importante do DOE.

"Este trabalho é um bom exemplo de pesquisa científica básica que leva a aplicações downstream potencialmente valiosas, "disse John Shanklin, Presidente do Departamento de Biologia do Laboratório de Brookhaven.