Trang chủSinh khối lignocellulose là vật liệu hữu cơ phong phú nhất trên trái đất. Nó đã được sử dụng làm thức ăn gia súc trong hàng ngàn năm, và là một yếu tố chính của ngành công nghiệp giấy trong hai thế kỷ vừa qua.
Đăng ngày 17-07-2013 trong chuyên mục Tin thế giới
Tuy nhiên, nguồn tài nguyên phong phú này cũng có thể cung cấp các loại đường cần thiết để sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến, bổ sung hoặc thay thế nhiên liệu hóa thạch, cũng như mang đến một số thách thức kỹ thuật quan trọng cần được giải quyết.
Một trong những thách thức này là tìm cách làm tăng hiệu quả chi phí chiết xuất những loại đường này. Các bước quan trọng hướng tới việc đạt được bước đột phá này đang được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Năng lượng sinh học (JBEI) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE).
“Thông qua các công cụ của sinh học tổng hợp, chúng tôi đã thiết kế cây khỏe mạnh mà sinh khối lignocellulose có thể dễ dàng được phân hủy thành các loại đường đơn giản cho sản xuất nhiên liệu sinh học,” Dominique Loque, người chỉ đạo chương trình thiết kế vách tế bào cho Phòng nguyên liệu của JBEI, nói. “Làm việc với cây mô hình, Arabidopsis, như một công cụ trình diễn, chúng tôi đã biến đổi di truyền vách tế bào thứ cấp để làm giảm sự sản xuất của lignin trong khi tăng sản lượng của các loại đường nhiên liệu.”
JBEI là một chương trình hợp tác khoa học, dẫn đầu bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), có nhiệm vụ thúc đẩy sự phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ tiếp theo nhằm có thể cung cấp cho quốc gia nguồn năng lượng tái tạo, sạch và xanh, từ đó sẽ tạo ra công ăn việc làm và thúc đẩy nền kinh tế. Loque và nhóm nghiên cứu của ông đã tập trung vào việc làm giảm tính cứng rắn tự nhiên của tế bào thực vật để thu nhận đường của chúng. Không giống như các loại đường tinh bột đơn giản trong bắp và các loại ngũ cốc khác, các loại đường polysaccharide phức tạp trong vách tế bào thực vật đang bị khóa trong một polymer thơm được gọi là lignin. Việc thiết lập các đường tự do này từ bộ khung lignin của chúng đoi hỏi phải sử dụng hóa chất đắt tiền và khắc nghiệt với môi trường ở nhiệt độ cao, một quá trình giúp đẩy chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học tăng cao quá mức.
Cây Arabidopsis biến đổi gen (# 89) tạo ra sinh khối như cây hoang dại (WT) nhưng có sự tăng cường tích lũy polysaccharide trong vách tế bào (Ảnh: JBEI).
“Bằng cách gắn vào các polyme polysaccharide và làm giảm khả năng chiết xuất và tiếp cận với các enzym thủy phân, lignin là là một nhân tố đóng góp chính cho tính cứng rắn của vách tế bào,” Loque nói. “Thật không may, hầu hết những nỗ lực để giảm hàm lượng lignin trong quá trình phát triển của cây đã dẫn đến việc làm giảm năng suất sinh khối nghiêm trọng và mất tính toàn vẹn của mô mạch, một loại mô chính chịu trách nhiệm phân phối nước và chất dinh dưỡng từ gốc đến các cơ quan trên mặt đất.”
Lignin cũng đặt ra vấn đề đối với việc nghiền thức ăn cho gia súc. Để khắc phục những vấn đề lignin, Loque và các cộng sự đã sửa đổi cấu trúc điều hòa sinh tổng hợp lignin và tạo ra một vòng phản hồi dương tính nhân tạo (artificial positive feedback loop-APFL) để làm tăng sự sinh tổng hợp vách tế bào thứ cấp trong mô chuyên biệt. Ý tưởng là nhằm làm giảm tính cứng rắn của tế bào và làm tăng hàm lượng polysaccharide mà không ảnh hưởng đến sự phát triển của cây.
“Khi chúng tôi áp dụng APFL với cây Arabidopsis đã được thiết kế để việc sinh tổng hợp lignin bị tách khỏi mạng lưới điều hòa vách tế thứ cấp dạng sợi, chúng tôi đã duy trì được tính toàn vẹn của mạch dẫn và có thể tạo ra những cây khỏe mạnh với hàm lượng lignin giảm và tăng sự tích lũy polysaccharide trong vách tế bào, “Loque nói. “Sau nhiều lần tiền xử lý, các cây được thiết kế này có hàm lượng đường được giải phóng từ sự thủy phân enzyme được cải thiện hơn so với cây hoang dại.”
Loque và cộng sự tin rằng chiến lược APFL họ sử dụng để làm tăng sự tích lũy polysaccharide trong mô sợi của cây Arabidopsis có thể nhanh chóng được áp dụng vào các loài thực vật có mạch khác. Điều này có thể làm tăng hàm lượng vách tế bào vì lợi ích của các ngành công nghiệp xay xát và sản xuất thức ăn gia súc cũng như cho các ứng dụng về năng lượng sinh học. Nó cũng có thể được sử dụng để tăng độ cứng của thân cây ngũ cốc, làm giảm diện tích trồng và thất thoát hạt. Do mạng lưới điều hòa và các thành phần khác của sự sinh tổng hợp vách tế bào thứ cấp được bảo tồn cao qua quá trình tiến hóa, các nhà nghiên cứu nhận thấy chiến lược biến đổi lignin của họ cũng có thể được áp dụng dễ dàng với các loài thực vật khác.
Nguồn: Sciencedaily
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/03/130329161247.htm