Ekonomik açıdan en önemli tarımsal bitkilerden biri olan mısır bitkisi üzerinde yapılan yeni araştırma bitkinin daha önce düşünülenden farklı bir iç yapısı olduğunu ortaya çıkardı. Bu durum mısırın etanole dönüştürülmesinde uygulanan işlemleri optimize etmeye yardımcı olabilir.
Nature Communications dergisinde yayınlanan makalenin baş yazarı Profesör Tuo Wang , “Hem alkol hem de yakıt olarak kullanılabilen bitkisel, yanıcı, renksiz, kimyasal bir bileşik olan etanol bir çok alanda kullanılıyor. Bu yüzden şimdiye kadar mısırın moleküler yapısını tam ve daha net bir şekilde anlamamış olmamız çok şaşırtıcı. Şu anda neredeyse benzinin yaklaşık yüzde 10’u etanol içeriyor.
ABD’de yıllık yaklaşık 371 milyon ton (FAO 2017) olan mısır bitkisi üretiminin üçte biri etanol üretimi için kullanılıyor. Sonunda etanol üretim verimliliğini yüzde 1 veya 2 artırabilsek bile, topluma önemli bir fayda sağlayabilir.” diyor.
Wang ve arkadaşları, yüksek çözünürlüklü teknikler kullanarak sağlam bir mısır sapını atomik seviyede inceleyen ilk kişiler.
Daha önce düşünülen ve bilinen selüloz, mısır ve diğer bitkilerde bir iskelet gibi davranan, doğrudan lignin adı verilen su geçirmez bir polimere bağlı kalın ve sert kompleks yapıdaki karbonhidrattır.
Bununla birlikte, Wang ve arkadaşları ligninin bir bitki içindeki selüloz ile sınırlı teması olduğunu keşfetti. Bunun yerine, ksilan adı verilen süt kompleksi karbonhidrat, tutkal olarak selüloz ve lignini birleştirmektedir.
Ayrıca daha önce selüloz, lignin ve ksilan moleküllerinin karıştığı düşünülmüştü, ancak bilim adamları her birinin ayrı ayrı alanlara sahip olduğunu ve bu alanların ayrı işlevler yaptığını keşfetti.
Wang “Şaşırdım. Bulgularımız aslında ders kitabına aykırı” diyor.
Su geçirmez özelliği ile Lignin, bitkilerde önemli bir yapısal bileşendir. Lignin ayrıca etanol üretimi için de bir zorluk teşkil etmektedir, çünkü şekerin bir bitki içindeki etanole dönüştürülmesini önler.
Etanol veya diğer biyoyakıtları üretmek için bitki yapısının nasıl parçalanacağı veya daha fazla sindirilebilir bitkilerin ıslahı konusunda önemli araştırmalar yapılmıştır. Ancak, bu araştırma, bitkilerin moleküler yapısının tam resmi olmadan yapılmıştır.
Wang, “Etanol üretim yöntemlerinde birçok çalışma için daha fazla optimizasyon yapılması gerekebilir, ancak çalışma, bu değerli ürünü işleme biçimimizi geliştirmek için yeni fırsat kapıları açıyor,” diyor.
Bu, bir bitkinin biyokütlesinin çekirdeğini daha verimli bir şekilde parçalamak için daha iyi bir enzim veya kimyasalın tasarlanabileceği anlamına gelir. Bu yeni yaklaşımlar ayrıca diğer bitki ve organizmalarda ki biyokütleye de uygulanabilir.
Çalışmada kullanılan diğer bitkiler
Wang ve meslektaşları diğer üç bitki türünü de analiz ettiler: Mısırın yanı sıra pirinç ve biyoyakıt üretimi için de kullanılan şalter ve lahana ile ilgili çiçekli bir bitki olan model bitki türleri olan Arabidopsis. Bilim insanları dört bitki arasındaki moleküler yapının benzer olduğunu buldular.
Bunu, LSU’da ve Tallahassee, Fla’daki Ulusal Bilim Vakfı Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’nda katı hal nükleer manyetik rezonans spektroskopi aleti kullanarak keşfettiler.
Şu sıralar okaliptüs, kavak ve ladin ağacını analiz ediyorlar, bu da kağıt üretimini ve malzeme geliştirme endüstrilerini geliştirmeye yardımcı olabilir.
Abstract
Lignin is a complex aromatic biopolymer that strengthens and waterproofs plant secondary cell walls, enabling mechanical stability in trees and long-distance water transport in xylem.Lignin removal is a key step in paper production and biomass conversion to biofuels, motivating efforts to re-engineer lignin biosynthesis. However, the physical nature of lignin’s interactions with wall polysaccharides is not well understood.
Here we show that lignin self-aggregates to form highly hydrophobic and dynamically unique nanodomains, with extensive surface contacts to xylan. Solid-state NMR spectroscopy of intact maize stems, supported by dynamic nuclear polarization, reveals that lignin has abundant electrostatic interactions with the polar motifs of xylan.
Lignin preferentially binds xylans with 3-fold or distorted 2-fold helical screw conformations, indicative of xylans not closely associated with cellulose.
These findings advance our knowledge of the molecular-level organization of lignocellulosic biomass, providing the structural foundation for optimization of post-harvest processing for biofuels and biomaterials.
Çeviri ve Derleme: Popüler Tarım Bilimleri
Scientists nail down important plant compound pathway – https://phys.org/news/2019-01-scientists-important-compound-pathway.html [Erişim. 27.01.2019]
İleri Okuma: Xue Kang et al, Lignin-polysaccharide interactions in plant secondary cell walls revealed by solid-state NMR, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-018-08252-0