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Científicos identifican enzima para fabricar productos químicos industriales clave en plantas

Científicos identifican enzima para fabricar productos químicos industriales clave en plantas
Los científicos de Brookhaven Lab identificaron una enzima (PHBMT1) que transfiere p-hidroxibenzoato (verde) a los componentes básicos de la lignina en el álamo. El conjugado resultante se incorpora luego al polímero de lignina naciente, lo que conduce a la lignina decorada con p-hidroxibenzoato. El descubrimiento puede permitir a los científicos diseñar plantas para acumular más de este importante componente químico industrial. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven

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 sustancia química industrial importante. 


por el Laboratorio Nacional Brookhaven


La investigación, recién publicada en Nature Plants , podría conducir a una nueva vía sostenible para producir » ácido p -hidroxibenzoico», un componente químico que actualmente se deriva de los combustibles fósiles, en la biomasa vegetal.

«El ácido P- 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 hacer parabenos, tintes y pigmentos», dijo Chang-Jun Liu, bioquímico vegetal del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y autor principal del artículo.

El valor de mercado mundial del ácido p -hidroxibenzoico se situó en 59 millones de dólares 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 producir ácido p -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 p -hidroxibenzoato ( p BA) -la base conjugada de p hidroxibenzoico ácido-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, lo que podría agregar 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 cambiar la mezcla de polímeros podría facilitar y hacer más rentable convertir la biomasa en biocombustibles.

La lignina, que da a las plantas integridad estructural, resistencia 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, incluido el p BA, unidos 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 p BA a la lignina.

«Si pudiéramos identificar esta enzima y luego controlar la expresión del gen que produce esta enzima, podríamos controlar eficazmente el nivel de p BA en la biomasa de las 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 p BA como la «decoración» de la cadena lateral principal en su lignina.

Para sistemáticamente identificar y caracterizar la enzima (s) que participan en la unión de p BA o otros grupos químicos a la lignina, el equipo de Liu proyectará una serie de genes candidatos identificados a través de un estudio genómico relacionado de álamo.

«Clonamos 20 genes candidatos que se expresan principalmente en tejidos leñosos y codifican enzimas llamadas aciltransferasas. Estas son las enzimas que más probablemente participan 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 del isótopo 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 p BA (o los otros grupos químicos). Pudieron concentrarse en el candidato más probable para la reacción de interés.

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

Una de ellas fue una técnica conocida como CRISPR / Cas9, una moderna «tijera genética» 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 se encuentra casi no p BA en 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 niveles aumentados de p BA.

«Juntos, estos datos proporcionan una prueba concluyente de que el gen / enzima que hemos identificado puede unir p BA a los componentes básicos de la lignina», dijo Liu.

Incrementar el contenido de p BA de las plantas mediante la manipulación genética podría ser una forma de producir de forma sostenible ácido p -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 la naturaleza, p BA ayuda a fortalecer la lignina.

Por lo tanto, otro resultado potencial de identificar la enzima para agregar p BA a la lignina podría ser estrategias genéticas para adaptar las propiedades químicas de la lignina.

La reducción de p BA podría mejorar la «deslignificación» de la biomasa leñosa para procesos como la fabricación de pulpa, la fabricación de papel y la producción de biocombustibles.

Por el contrario, el aumento de los niveles de p BA en la lignina podría 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.



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