ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Bitki Biyologları, çim bitkilerinin biyokütlesinin biyoyakıtlara ve diğer biyo-ürünlere daha verimli bir şekilde dönüştürülebilmesi için enzimler tasarladı. Plant Biotechnology Journal‘da yayımlanan bir makalede açıklandığı üzere, bu enzimler bitki hücre duvarlarını oluşturan molekülleri değiştirerek normalde karmaşık yapılar içinde kilitli olan yakıt üreten şekerlere erişim sağlıyor.
Brookhaven Laboratuvarı’nda kıdemli Bitki Biyoloğu olan ve çalışmayı yöneten Chang-Jun Liu, “Biyokütleden biyoyakıta konsepti basit görünüyor ancak şekerleri serbest bırakmak teknik olarak çok zor” dedi.
Bitki biyokütlesi fotosentezden elde edilen enerji açısından zengin kompleks şeker molekülleriyle doludur. Her bir bitki hücresi, şekerlerden oluşan sert bir hücre duvarı ve yapısal destek sağlayan lignin adlı bir madde ile çevrilidir. Şekerlere erişim sağlamak için lignini azaltmak, yaygın olarak petrolden yapılan yakıtları ve diğer ürünleri üretmek için bitkileri kullanmayı amaçlayan araştırmaların odak noktası olmuştur.
Liu, yaklaşık 15 yıldır monolignol 4-O-metiltransferazlar (MOMT’ler) adı verilen mühendislik ürünü enzimleri kullanarak bu sorunun üstesinden gelmeye çalışıyor. Doğada bulunmayan bu enzimler, ligninin ana yapı taşları olan monolignollerin kimyasal yapısını değiştirmek üzere tasarlanmıştır. Yapı taşlarının yapısının değiştirilmesi, bunların birbirine bağlanmasını önler, bu da bitkilerin lignin içeriğini azaltır ve şekerleri daha erişilebilir hale getirir.
Önceki çalışmalarında Liu ve meslektaşları kavak ağaçlarında MOMT’leri başarılı bir şekilde eksprese ettiler. Bu enzimler ağaçların lignin içeriğini azalttı ve bitkilerden daha bol şeker salınımını sağladı. Yeni araştırmada, MOMT enzimlerinin bol miktarda biyokütle verimine sahip çim bitkilerindeki potansiyel uygulamalarını test ettiler.
Çim bitkileri, su veya besin eksikliği olan topraklar gibi zorlu ortamlarda da yetişebilir. Bu tür ortamlarda mühendislik ürünü bitkilerin yetiştirilmesi, gıda bitkileri üretmek için gereken arazi için rekabet etmeden, yakıt ve biyo-ürüne dönüştürülmek üzere optimize edilmiş büyük miktarlarda biyokütle üretebilir.
Brookhaven Laboratuvarı araştırma görevlisi ve yeni makalenin başyazarı Nidhi Dwivedi, “Ancak, incelediğimiz pirinç bitkilerinde olduğu gibi çim bitkisi hücre duvarları yapı ve bileşim açısından daha da karmaşıktır” dedi. Şeker ve lignine ek olarak, çim bitkisi hücre duvarları, hücre duvarı bileşenlerini “çapraz bağlayan”, onları daha da güçlü ve parçalanması daha zor hale getiren ek fenolik bileşikler de içerir.
Liu, “Çim bitkisi hücre duvarlarının karmaşıklığı, enzimlerimizin şeker geri kazanımını iyileştirip iyileştirmeyeceği konusunda bizi meraklandırdı” dedi. “MOMT’lerin çim hücre duvarlarını biyokütleye erişim sağlayacak şekilde değiştirip değiştiremeyeceğini bilmek istedik.”
Daha Az Lignin, Daha Fazla Şeker
Liu ve Dwivedi, bu çalışma için her biri farklı bir lignin alt birimini modifiye etmek üzere tasarlanmış olan MOMT4 ve MOMT9 olmak üzere enzimin iki versiyonuna odaklanmayı seçti.
Japonya’daki Kyoto Üniversitesinden meslektaşlarıyla birlikte çalışan Liu’nun ekibi, MOMT4 veya MOMT9’u eksprese edecek şekilde tasarlanmış pirinç bitkileri üzerinde kimyasal analizler gerçekleştirdi. Bu çalışmalar, modifiye edilmiş çim bitkilerinde, modifiye edilmemiş bitkilere kıyasla daha az lignin olduğunu gösterdi.
Kuzey Carolina’daki Appalachian Eyalet Üniversitesinden araştırmacılar, taramalı elektron mikroskobu kullanarak modifiye edilmiş bitki gövdelerinin kesitlerini inceledi ve kimyasal analizlerle tutarlı değişiklikler gözlemledi.
Dwivedi, “Gövde boyunca hücre duvarları daha ince görünüyordu” dedi. “Hatta bazı hücrelerde duvarlar deforme olmuş ya da bükülmüş görünüyordu.”
Hücre duvarlarında daha az lignin bulunması sayesinde bilim insanları, modifiye edilmemiş bitkilere kıyasla MOMT4 eksprese eden bitkilerden %30’a kadar daha fazla şeker ve MOMT9 eksprese eden bitkilerden %15’e kadar daha fazla şeker depolayabildiler. Fermantasyon adı verilen bir süreçle bu şeker, benzinin fosil yakıt içeriğini azaltmak için kullanılan yaygın bir katkı maddesi olan etanol gibi biyoyakıtlara dönüştürülebilir.
Şaşırtıcı Derecede Karışık Enzimler
Genellikle kimyasal reaksiyonları kolaylaştıran enzimler-moleküller genellikle sadece tek bir molekül türünü hedef alır. MOMT4 ve MOMT9, monolignoller üzerinde etkili olacak şekilde tasarlanmıştı. Ancak Liu ve meslektaşları bu enzimler üzerinde testler yaptıklarında, sonuçlar bu mühendislik ürünü enzimlerin “karışıklık” sergilediğini ortaya koydu.
Monolignoller üzerinde etkili olmanın yanı sıra, her iki MOMT de diğer hücre duvarı bileşenleri – çapraz bağlayıcı fenolikler ve ayrıca çim bitkilerine özgü bir lignin öncüsü olan trisin adı verilen bir fenolik – üzerinde etkili oldu.
Bu enzimler pirinç bitkilerinde ifade edildiğinde, geleneksel lignin yapı taşlarında beklenen yapısal değişiklikleri yaptılar ve böylece bitkilerin genel lignin içeriğini azalttılar. Ancak MOMT’ler çapraz bağlayıcı fenoliklerin ve trisinin yapılarını değiştirerek, bu bileşiklerin hücre duvarlarına dahil edilmesini de azaltarak onları daha da zayıflattı. Bilim insanları ayrıca, modifiye edilmemiş bitkilerde bulunmayan, bitki dokusunun geri kalanında modifiye fenoliklerin biriktiğini tespit etti.
Liu, “Bu, aynı enzimleri kavak ağaçlarında eksprese ettiğimizde gördüğümüzden oldukça farklıydı” dedi. “Enzimlerin ekspresyonunun daha geniş etkileri bizi gerçekten şaşırttı. Genel olarak, değişiklikler çim hücre duvarlarından şeker verimini optimize etme açısından olumluydu. Ancak bazı istenmeyen etkiler de vardı.”
Örneğin, MOMT9’u eksprese eden bitkiler, modifiye edilmemiş bitkiler kadar uzamadı ve bu da şekere erişilebilecek biyokütle miktarını azalttı. Bitkiler ayrıca tohum üretemedi; bu da bilim insanlarının modifiye edilmiş bitkilerin sürdürülebilir bir biyoyakıt şekeri kaynağı olarak çoğalmasını istemeleri durumunda bir sorun teşkil edecekti.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için bilim insanları, ligninin bitkinin farklı kısımlarında nasıl modifiye edildiğini kontrol etmeye yönelik yöntemleri keşfetmeyi planlıyor. Örneğin, bilim insanları üreme organları dışında bitkinin her yerinde lignin seviyelerini azaltabilirlerse, bitkilerin verimliliğini etkilemeden şeker ekstrakte etme yeteneğini en üst düzeye çıkarabilirler.
Bilim insanları ayrıca MOMT enzimlerinin diğer çim bitkisi türlerinden şeker verimini optimize edip edemeyeceğini görmek istiyor.
Liu, “Bu enzim teknolojisinin pirinçteki etkinliğini gördükten sonra, sorgum ve bambu gibi diğer çim enerji bitkilerini modifiye etmek için kullanılabileceğinden eminiz” dedi.
“Biyoyakıtlar yenilenemeyen enerji kaynaklarına umut verici bir alternatiftir” diyen Dwivedi sözlerini şöyle sürdürdü: “Bu çalışma, bilim insanlarının hücre duvarlarında bulunan şekerin salınımını nasıl optimize edebilecekleri ve böylece modifiye edilmemiş biyokütle ürünlerinde ortaya çıkan bazı atıkların üstesinden nasıl gelebilecekleri konusunda fikir vermektedir.” [1]“Engineered enzymes could generate biomass optimized for conversion into fuel and other useful products” yazısından çevrilmiştir.[2]Öne çıkan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | “Engineered enzymes could generate biomass optimized for conversion into fuel and other useful products” yazısından çevrilmiştir. |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkan görsel |
