木質素解鎖可持續的生物燃料

日期：2015-07-08 11:18:19

轉彎樹木，草和其他生物質轉化成汽車和飛機的燃料是一個昂貴和復雜的過程。生物燃料的研究人員正在努力改變這種狀況，設想的未來是纖維素乙醇，是常見和負擔得起的汽油。

該關鍵是使這一設想變成現實？解開緊緊纏繞的網絡分子，纖維素，半纖維素和木質素 -即彌補植物的細胞壁更容易處理生物燃料。

采用高性能計算，一組研究人員在美國能源部（DOE的）橡樹嶺國家實驗室（ORNL）提供了深入了解如何可能實現，模擬一個行之有效的遺傳修飾,一棵白楊樹的木質素原子級的細節。該小組的結論，即疏水性，或斥水，木質素結合少帶的親水性，或水吸引,研究人員用一個有希望的方式來更好的獲取植物的生物燃料。他們的研究結果發表在2014年11月版的物理化學上。

該研究是重要的，因為木質素是植物生存至關重要的野生構成用于乙醇生產的，防止酶從分解纖維素轉化為單糖進行發酵。

Jeremy Smith，橡樹嶺國家實驗室的中心分子生物物理學和總部在椅子田納西大學的主任，帶領項目。他的研究小組模擬連接到半纖維素分子遺傳修飾的木質素分子下，研究人員在美國能源部生物能源科學中心（BESC），他表明，木質素基因改造可以提高生物燃料植物材料中提取的總額，而不損害開展工作植物的結構完整性。BESC是由科學能源部辦公室支持。

“BESC科學家創造了許多不同的木質素通過隨機基因改造，“Smith說。“他們發現一個能為他們工作，但他們想知道為什么它能工作。”

為了找到答案，史密斯的團隊使用一個27千萬億次超級計算機在橡樹嶺領導計算設施（OLCF），能源部科學辦公室的設施。

改變白楊

白楊是在北美之中最普遍的樹木，沿整個美國北部和加拿大延伸地區生長。由于屬部分胡楊科，其中包括楊樹和白楊，他們被稱為能快速增長，適應不同的環境的兩個優勢，使他們成為候選的能力纖維素乙醇制造者。相比于傳統的生物燃料作物，如玉米和甘蔗，白楊只需要最少的護理; 它們也可以生長在糧食作物不能生長的區域。

但是，讓白楊在自然界中茁壯成長的抗寒性使得它們酶分解發酵，是生物質轉化為乙醇的一個重要步驟。這個問題可以追溯到植物細胞壁，其中木質素和半纖維素鍵以形成圍繞纖維素纏結網的分子。

纖維素，復合碳水化合物由葡萄糖鏈，包括近一半的植物物質。它是植物它們的結構，這是需要的，以使用纖維素乙醇的臨界物質。要分解纖維素，必須闖過的木質素，生物燃料生產的廢品，需要昂貴的代價，以隔離和刪除。由于在植物細胞的木質素刪除，BESC科學家們發現，他們可以提高生物燃料的產量38％。

在自然界中，木質素增加了強度，纖維素纖維，保護天敵和疾病的植物。木質素分子組成由碳，氧和氫被在一個稱為生物合成過程中的細胞內組裝的多種化學基團。在組裝過程中，酶催化分子成更復雜的單元。通過抑制關鍵酶，肉桂醇脫氫酶，BESC科學家創建了一個“不完整”木質素分子。而非親水的醇基團（氧 - 氫分子結合到氫飽和碳原子），最終的木質素聚合物所含的疏水性醛基的碳原子（雙鍵與氧原子）。

“我們想看看是否有在木質素半纖維素網絡的差異，如果你在木質素水吸引醇取代隔水醛，”Loukas PETRIDIS，橡樹嶺國家實驗室的工作人員科學家。“遺傳學家知道修改后的工作可以更容易地分解了，但他們沒有一個原子級的解釋，泰坦超級計算機可以提供。”

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