木质素解锁可持续的生物燃料

 

该关键是使这一设想变成现实？解开紧紧缠绕的网络分子，纤维素，半纤维素和木质素 -即弥补植物的细胞壁更容易处理生物燃料。

采用高性能计算，一组研究人员在美国能源部（DOE的）橡树岭国家实验室（ORNL）提供了深入了解如何可能实现，模拟一个行之有效的遗传修饰,一棵白杨树的木质素原子级的细节。该小组的结论，即疏水性，或斥水，木质素结合少带的亲水性，或水吸引,研究人员用一个有希望的方式来更好的获取植物的生物燃料。他们的研究结果发表在2014年11月版的物理化学上。

该研究是重要的，因为木质素是植物生存至关重要的野生构成用于乙醇生产的，防止酶从分解纤维素转化为单糖进行发酵。

 

Jeremy Smith，橡树岭国家实验室的中心分子生物物理学和总部在椅子田纳西大学的主任，带领项目。他的研究小组模拟连接到半纤维素分子遗传修饰的木质素分子下，研究人员在美国能源部生物能源科学中心（BESC），他表明，木质素基因改造可以提高生物燃料植物材料中提取的总额，而不损害开展工作植物的结构完整性。BESC是由科学能源部办公室支持。

“BESC科学家创造了许多不同的木质素通过随机基因改造，“Smith说。“他们发现一个能为他们工作，但他们想知道为什么它能工作。”

为了找到答案，史密斯的团队使用一个27千万亿次超级计算机在橡树岭领导计算设施（OLCF），能源部科学办公室的设施。

 

改变白杨

白杨是在北美之中最普遍的树木，沿整个美国北部和加拿大延伸地区生长。由于属部分胡杨科，其中包括杨树和白杨，他们被称为能快速增长，适应不同的环境的两个优势，使他们成为候选的能力纤维素乙醇制造者。相比于传统的生物燃料作物，如玉米和甘蔗，白杨只需要最少的护理; 它们也可以生长在粮食作物不能生长的区域。

 

但是，让白杨在自然界中茁壮成长的抗寒性使得它们酶分解发酵，是生物质转化为乙醇的一个重要步骤。这个问题可以追溯到植物细胞壁，其中木质素和半纤维素键以形成围绕纤维素缠结网的分子。

 

纤维素，复合碳水化合物由葡萄糖链，包括近一半的植物物质。它是植物它们的结构，这是需要的，以使用纤维素乙醇的临界物质。要分解纤维素，必须闯过的木质素，生物燃料生产的废品，需要昂贵的代价，以隔离和删除。由于在植物细胞的木质素删除，BESC科学家们发现，他们可以提高生物燃料的产量38％。

 

在自然界中，木质素增加了强度，纤维素纤维，保护天敌和疾病的植物。木质素分子组成由碳，氧和氢被在一个称为生物合成过程中的细胞内组装的多种化学基团。在组装过程中，酶催化分子成更复杂的单元。通过抑制关键酶，肉桂醇脱氢酶，BESC科学家创建了一个“不完整”木质素分子。而非亲水的醇基团（氧 - 氢分子结合到氢饱和碳原子），最终的木质素聚合物所含的疏水性醛基的碳原子（双键与氧原子）。

 

“我们想看看是否有在木质素半纤维素网络的差异，如果你在木质素水吸引醇取代隔水醛，”Loukas PETRIDIS，橡树岭国家实验室的工作人员科学家。“遗传学家知道修改后的工作可以更容易地分解了，但他们没有一个原子级的解释，泰坦超级计算机可以提供。”

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