木質(zhì)素解鎖可持續(xù)的生物燃料
日期：2015-07-08 11:18:19
轉(zhuǎn)彎樹木，草和其他生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成汽車和飛機(jī)的燃料是一個(gè)昂貴和復(fù)雜的過程。生物燃料的研究人員正在努力改變這種狀況，設(shè)想的未來是纖維素乙醇，是常見和負(fù)擔(dān)得起的汽油。
該關(guān)鍵是使這一設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)？解開緊緊纏繞的網(wǎng)絡(luò)分子，纖維素，半纖維素和木質(zhì)素 -即彌補(bǔ)植物的細(xì)胞壁更容易處理生物燃料。
采用高性能計(jì)算，一組研究人員在美國(guó)能源部（DOE的）橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）提供了深入了解如何可能實(shí)現(xiàn)，模擬一個(gè)行之有效的遺傳修飾,一棵白楊樹的木質(zhì)素原子級(jí)的細(xì)節(jié)。該小組的結(jié)論，即疏水性，或斥水，木質(zhì)素結(jié)合少帶的親水性，或水吸引,研究人員用一個(gè)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(jié)果發(fā)表在2014年11月版的物理化學(xué)上。
該研究是重要的，因?yàn)槟举|(zhì)素是植物生存至關(guān)重要的野生構(gòu)成用于乙醇生產(chǎn)的，防止酶從分解纖維素轉(zhuǎn)化為單糖進(jìn)行發(fā)酵。
Jeremy Smith，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中心分子生物物理學(xué)和總部在椅子田納西大學(xué)的主任，帶領(lǐng)項(xiàng)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(zhì)素分子下，研究人員在美國(guó)能源部生物能源科學(xué)中心（BESC），他表明，木質(zhì)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(jié)構(gòu)完整性。BESC是由科學(xué)能源部辦公室支持。
“BESC科學(xué)家創(chuàng)造了許多不同的木質(zhì)素通過隨機(jī)基因改造，“Smith說。“他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(tuán)隊(duì)使用一個(gè)27千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)在橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施（OLCF），能源部科學(xué)辦公室的設(shè)施。
改變白楊
白楊是在北美之中最普遍的樹木，沿整個(gè)美國(guó)北部和加拿大延伸地區(qū)生長(zhǎng)。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(zhǎng)，適應(yīng)不同的環(huán)境的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，使他們成為候選的能力纖維素乙醇制造者。相比于傳統(tǒng)的生物燃料作物，如玉米和甘蔗，白楊只需要最少的護(hù)理; 它們也可以生長(zhǎng)在糧食作物不能生長(zhǎng)的區(qū)域。
但是，讓白楊在自然界中茁壯成長(zhǎng)的抗寒性使得它們酶分解發(fā)酵，是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的一個(gè)重要步驟。這個(gè)問題可以追溯到植物細(xì)胞壁，其中木質(zhì)素和半纖維素鍵以形成圍繞纖維素纏結(jié)網(wǎng)的分子。
纖維素，復(fù)合碳水化合物由葡萄糖鏈，包括近一半的植物物質(zhì)。它是植物它們的結(jié)構(gòu)，這是需要的，以使用纖維素乙醇的臨界物質(zhì)。要分解纖維素，必須闖過的木質(zhì)素，生物燃料生產(chǎn)的廢品，需要昂貴的代價(jià)，以隔離和刪除。由于在植物細(xì)胞的木質(zhì)素刪除，BESC科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，他們可以提高生物燃料的產(chǎn)量38％。
在自然界中，木質(zhì)素增加了強(qiáng)度，纖維素纖維，保護(hù)天敵和疾病的植物。木質(zhì)素分子組成由碳，氧和氫被在一個(gè)稱為生物合成過程中的細(xì)胞內(nèi)組裝的多種化學(xué)基團(tuán)。在組裝過程中，酶催化分子成更復(fù)雜的單元。通過抑制關(guān)鍵酶，肉桂醇脫氫酶，BESC科學(xué)家創(chuàng)建了一個(gè)“不完整”木質(zhì)素分子。而非親水的醇基團(tuán)（氧 - 氫分子結(jié)合到氫飽和碳原子），最終的木質(zhì)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(zhì)素半纖維素網(wǎng)絡(luò)的差異，如果你在木質(zhì)素水吸引醇取代隔水醛，”Loukas PETRIDIS，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作人員科學(xué)家。“遺傳學(xué)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(gè)原子級(jí)的解釋，泰坦超級(jí)計(jì)算機(jī)可以提供。”
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