Новое исследование самого экономически важного сельскохозяйственного растения США - кукурузы - выявило внутреннюю структуру растения, отличную от той, что считалась ранее, что может помочь оптимизировать процесс превращения кукурузы в этанол.
«Наша экономика зависит от этанола, поэтому удивительно, что у нас до сих пор не было полного и более точного понимания молекулярной структуры кукурузы», - сказал доцент кафедры химии ЛГУ Туо Ван, который руководил этим исследованием. исследование, которое будет опубликовано 1 января.21 в Nature Communications. «В настоящее время почти весь бензин содержит около 10 процентов этанола. Одна треть всего производства кукурузы в США, что составляет около 5 миллиардов бушелей в год, используется для производства этанола. Даже если мы, наконец, сможем повысить эффективность производства этанола на 1 или 2 процентов, это могло бы принести значительную пользу обществу».
Ванг и его коллеги первыми исследовали неповрежденный стебель кукурузы на атомном уровне с использованием методов высокого разрешения. В команду LSU входят научный сотрудник с докторской степенью Сюэ Кан и два аспиранта, Малита Диквелла Виданаге из Коломбо, Шри-Ланка, и Алекс Кируи из Накуру, Кения.
Ранее считалось, что целлюлоза, густой и жесткий сложный углевод, который действует как каркас в кукурузе и других растениях, напрямую связан с водонепроницаемым полимером, называемым лигнином. Однако Ван и его коллеги обнаружили, что лигнин имеет ограниченный контакт с целлюлозой внутри растения. Вместо этого проволокообразный сложный углевод под названием ксилан соединяет целлюлозу и лигнин как клей.
Ранее также считалось, что молекулы целлюлозы, лигнина и ксилана смешаны, но ученые обнаружили, что каждая из них имеет отдельные домены, и эти домены выполняют отдельные функции.
"Я был удивлен. Наши выводы на самом деле противоречат учебнику", - сказал Ван.
Лигнин с его водонепроницаемыми свойствами является ключевым структурным компонентом растений. Лигнин также представляет собой проблему для производства этанола, поскольку он предотвращает превращение сахара в этанол в растении. Были проведены значительные исследования о том, как разрушить структуру растений или вывести более удобоваримые растения для производства этанола или другого биотоплива. Однако это исследование было проведено без полной картины молекулярной структуры растений.
«Большой объем работы по методам производства этанола может потребовать дальнейшей оптимизации, но он открывает двери для новых возможностей по улучшению методов обработки этого ценного продукта», - сказал Ван.
Это означает, что можно разработать лучший фермент или химическое вещество для более эффективного разрушения сердцевины биомассы растения. Эти новые подходы также могут быть применены к биомассам других растений и организмов.
В дополнение к кукурузе Ван и его коллеги проанализировали три других вида растений: рис, просо, которое также используется для производства биотоплива, и модельный вид растений Arabidopsis, который представляет собой цветущее растение, родственное капусте. Ученые обнаружили, что молекулярная структура всех четырех растений одинакова.
Они обнаружили это с помощью твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса в ЛГУ и в Национальной лаборатории сильных магнитных полей Национального научного фонда в Таллахасси, штат Флорида. Предыдущие исследования, в которых использовались микроскопы или химические анализы, не показали атомно- уровневая структура нативной, интактной архитектуры растительной клетки. Ван и его коллеги первыми напрямую измерили молекулярную структуру этих интактных растений.
В настоящее время они анализируют древесину эвкалипта, тополя и ели, что также может помочь улучшить производство бумаги и разработку материалов.