Des scientifiques qui étudient la biochimie des parois cellulaires végétales ont identifié une enzyme qui pourrait transformer les peupliers ligneux en une source pour la production d'un produit chimique industriel majeur. La recherche, vient de paraître dans Plantes naturelles , pourrait conduire à une nouvelle voie durable pour faire " p -acide hydroxybenzoïque, " une brique chimique actuellement dérivée de combustibles fossiles, dans la biomasse végétale.

" P L'acide -hydroxybenzoïque est une matière première chimique polyvalente. Il peut servir de bloc de construction pour faire des cristaux liquides, un plastifiant de résine de nylon, un sensibilisateur pour papier thermique, et une matière première pour fabriquer du paraben, colorants, et pigments, " a déclaré Chang-Jun Liu, biochimiste des plantes au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis et auteur principal de l'article.

La valeur marchande mondiale de p -l'acide hydroxybenzoïque s'élevait à 59 millions de dollars américains en 2020 et devrait atteindre 80 millions de dollars d'ici 2026. Mais le processus actuel de fabrication de cet important produit chimique repose sur la pétrochimie. Sa synthèse nécessite des conditions de réaction sévères (haute température et haute pression) et a des impacts environnementaux négatifs. Trouver un moyen économique et durable de faire p -l'acide hydroxybenzoïque dans les plantes pourrait aider à atténuer les impacts environnementaux et contribuer à une bioéconomie émergente.

"Nous avons identifié une enzyme clé responsable de la synthèse et de l'accumulation de p -hydroxybenzoate ( p BA)—la base conjuguée de p -acide hydroxybenzoïque—dans la lignine, l'un des trois polymères majeurs qui constituent le support structurel qui entoure les cellules végétales, " a déclaré Liu. " Cette découverte peut nous permettre de concevoir des plantes pour accumuler plus de ce bloc de construction chimique dans leurs parois cellulaires, ajoutant ainsi potentiellement de la valeur à la biomasse."

Biocarburants et bioproduits

Les parois cellulaires sont constituées d'une combinaison de polymères en forme de chaîne - cellulose, hémicellulose, et la lignine, qui sont la principale source de biomasse végétale. Liu et d'autres scientifiques ont exploré les voies biochimiques qui construisent ces polymères végétaux. L'un des objectifs était de comprendre comment la modification du mélange de polymères pourrait rendre plus facile et plus rentable la conversion de la biomasse en biocarburants.

Lignine, qui donne aux plantes une intégrité structurelle, force mécanique, et imperméabilisation, est particulièrement difficile à briser. Mais les recherches récentes visant à générer de l'éthanol cellulosique ont permis des avancées techniques et des opportunités d'augmenter les utilisations et donc la valeur de la lignine.

Les scientifiques savent que les éléments constitutifs de la lignine ont souvent divers groupes chimiques, comprenant p BA, attachés comme des chaînes latérales. La fonction exacte de ces groupes secondaires était inconnue. Mais l'équipe de Liu était intéressée à explorer leur influence sur la structure et les propriétés de la lignine. Donc, ils ont entrepris de découvrir l'enzyme responsable de la fixation p BA à la lignine.

"Si nous pouvions identifier cette enzyme, puis contrôler l'expression du gène qui fabrique cette enzyme, nous pourrions contrôler efficacement le niveau de p BA dans la biomasse des usines de bioénergie, " dit Liu.

A la recherche du gène

Les scientifiques ont mené leur étude sur le peuplier. Cette espèce d'arbre à croissance rapide a une riche biomasse ligneuse. Il est devenu une matière première renouvelable prometteuse pour la production de biocarburants et de produits chimiques biosourcés. Cela a aussi p BA comme principale "décoration" de la chaîne latérale sur sa lignine.

Identifier et caractériser systématiquement la ou les enzymes impliquées dans la fixation p BA ou d'autres groupes chimiques à la lignine, L'équipe de Liu a examiné une série de gènes candidats identifiés grâce à une étude génomique connexe du peuplier.

"Nous avons cloné 20 gènes candidats qui sont principalement exprimés dans les tissus ligneux et codent pour des enzymes appelées acyltransférases. Ce sont les enzymes les plus probablement impliquées dans le transfert de groupes chimiques vers les molécules acceptrices particulières, " dit Liu.

Les scientifiques ont exprimé les enzymes codées par ces gènes et ont mélangé chacun avec divers éléments constitutifs, dont un composé de carbone marqué par un isotope. Le traçage du marqueur isotopique et une gamme d'autres techniques biomoléculaires basées sur des tubes à essai ont permis aux scientifiques de surveiller si chaque enzyme candidate était impliquée dans la fixation de chaînes latérales telles que p BA (ou les autres groupes chimiques). Ils ont pu se concentrer sur le candidat le plus probable pour la réaction d'intérêt.

Prouver fermement la fonction de l'enzyme dans les plantes, cependant, était une tâche formidable. Cela a pris de nombreuses années aux scientifiques et a nécessité l'émergence de nouvelles avancées en biologie moléculaire.

L'une d'entre elles était une technique connue sous le nom de CRISPR/Cas9, un "ciseau génétique" moderne qui permet une édition précise des gènes dans le génome d'un organisme cible. L'équipe a utilisé CRISPR/Cas9 pour générer une variante du peuplier dans laquelle le gène candidat codant pour l'enzyme avait été supprimé. Une analyse ultérieure n'a trouvé presque aucun p BA sur la lignine dans les tiges de ces plantes.

Ils ont également essayé un autre test génétique en surexprimant le gène qui produit l'enzyme candidate. Ces plantes ont accumulé des niveaux accrus de p BA.

"Ensemble, ces données fournissent une preuve concluante que le gène/enzyme que nous avons identifié peut s'attacher p BA aux blocs de construction de la lignine, " dit Liu.

La montée en puissance des plantes' p Le contenu du BA par manipulation génétique pourrait être un moyen de produire de manière durable p -acide hydroxybenzoïque.

Les scientifiques ont également découvert que la lignine provenant de plantes conçues pour accumuler un pBA inférieur était plus facile à dissoudre dans un solvant. Cela implique que, dans la nature, p BA aide à renforcer la lignine.

Par conséquent, un autre résultat potentiel de l'identification de l'enzyme pour l'ajout p BA à la lignine pourrait être des stratégies génétiques pour adapter les propriétés chimiques de la lignine.

Abaissement p BA pourrait améliorer la « délignification » de la biomasse ligneuse pour des procédés tels que la réduction en pâte, fabrication de papier, et la production de biocarburants.

Inversement, en augmentant p Les niveaux de BA sur la lignine pourraient potentiellement améliorer la durabilité du bois tout en offrant une voie pour la séquestration du carbone à long terme en emprisonnant plus de carbone dans la biomasse végétale, un autre objectif clé du DOE.

"Ce travail est un bon exemple de recherche scientifique fondamentale menant à des applications en aval potentiellement intéressantes, " a déclaré John Shanklin, Président du département de biologie du Brookhaven Lab.