确定用于制造植物中关键工业化学品的酶
该论文的第一作者、博士后研究员赵云军和布鲁克海文实验室生物化学家刘长军在布鲁克海文国家实验室的温室里与杨树一起工作。图片来源：布鲁克海文国家实验室
酶的定制水平具有许多潜在的应用，包括对羟基苯甲酸的可再生生产、改进的生物燃料生产和/或木材耐久性，以及长期碳封存的途径。
研究植物细胞壁生物化学的科学家们发现了一种酶，它可以将木杨树转化为生产主要工业化学品的来源。这项刚刚发表在Nature Plants上的研究可能会为在植物生物质中制造“对羟基苯甲酸”（一种目前从化石燃料中提取的化学成分）开辟一条新的可持续途径。
“对羟基苯甲酸是一种用途广泛的化学原料。它可以作为制造液晶的基石、尼龙树脂的增塑剂、热敏纸的敏化剂，以及制造对羟基苯甲酸酯、染料和颜料的原料，”美国植物生物化学家刘长军说能源部布鲁克海文国家实验室和该论文的主要作者。
2020 年，对羟基苯甲酸的全球市场价值为 5900 万美元，预计到 2026 年将达到 8000 万美元。但目前制造这种重要化学品的过程依赖于石化产品。它的合成需要苛刻的反应条件（高温和高压）并且具有负面的环境影响。寻找一种经济且可持续的方法在植物中制造对羟基苯甲酸有助于减轻对环境的影响并促进新兴的生物经济。
“我们已经确定了一种关键酶，它负责在木质素中合成和积累对羟基苯甲酸( p BA)——对羟基苯甲酸的共轭碱，木质素是构成植物细胞周围结构支持的三种主要聚合物之一，”刘说。“这一发现可能使我们能够设计植物在其细胞壁中积累更多的这种化学构件，从而潜在地增加生物质的价值。”
布鲁克海文实验室的科学家们发现了一种酶 (PHBMT1)，它可以将对羟基苯甲酸酯（绿色）转移到杨树中的木质素构件中。然后将所得的缀合物结合到新生的木质素聚合物中，产生对羟基苯甲酸酯修饰的木质素。这一发现可能使科学家能够设计植物来积累更多这种重要的工业化学构件。图片来源：布鲁克海文国家实验室
生物燃料和生物制品
细胞壁由链状聚合物（纤维素、半纤维素和木质素）组合而成，它们是植物生物质的主要来源。刘和其他科学家一直在探索构建这些植物聚合物的生化途径。一个目标是了解如何改变聚合物的组合可以使生物质转化为生物燃料变得更容易和更具成本效益。
赋予植物结构完整性、机械强度和防水性的木质素特别难以分解。但最近旨在生产纤维素乙醇的研究推动了技术进步和增加木质素用途的机会，从而提高了木质素的价值。
科学家们已经知道，构成木质素的构件通常具有各种化学基团，包括作为侧链连接的p BA。这些侧基的确切功能是未知的。但刘的团队有兴趣探索它们对木质素结构和性质的影响。因此，他们着手发现负责将p BA 连接到木质素上的酶。
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“如果我们能够识别这种酶，然后控制制造这种酶的基因的表达，我们就可以有效地控制生物能源植物生物质中p BA 的水平，”刘说。
寻找基因
科学家们对杨树进行了研究。这种快速生长的树种具有丰富的木质生物量。它已成为用于生物燃料和生物基化学品生产的有前途的可再生原料。它还具有p BA 作为其木质素上的主要侧链“装饰”。
为了系统地识别和表征参与将p BA 或其他化学基团连接到木质素上的酶，Liu 的团队筛选了一系列通过杨树相关基因组研究确定的候选基因。
“我们克隆了 20 个候选基因，这些基因主要在木质组织中表达并编码称为酰基转移酶的酶。这些是最有可能参与将化学基团转移到特定受体分子的酶，”刘说。
科学家们表达了这些基因编码的酶，并将每一种酶与包括一种同位素标记的碳化合物在内的各种构件混合在一起。追踪同位素标记和一系列其他基于试管的生物分子技术使科学家能够监测每种候选酶是否参与连接侧链，如p BA（或其他化学基团）。他们能够将最有可能引起兴趣反应的候选人归零。
然而，牢固地证明这种酶在植物中的功能是一项艰巨的任务。科学家们花了很多年的时间——并且需要分子生物学的新进展。
其中之一是一种称为 CRISPR/Cas9 的技术，它是一种现代“基因剪刀”，可以精确编辑目标生物基因组中的基因。该团队使用 CRISPR/Cas9 生成了一种杨树变体，其中候选酶编码基因已被删除。随后的分析发现这些植物茎中的木质素几乎没有p BA。
他们还通过过度表达产生候选酶的基因尝试了另一种基因测试。这些植物积累了增加的p BA 水平。
“这些数据共同提供了确凿的证据，证明我们已经确定的基因/酶可以将p BA 附加到木质素结构单元上，”刘说。
通过基因操作提高植物的p BA 含量可能是可持续生产对羟基苯甲酸的一种方法。
科学家们还发现，被设计用于积累较低 pBA 的植物中的木质素更容易溶解在溶剂中。这意味着，在自然界中，p BA 有助于增强木质素。
因此，鉴定用于将p BA 添加到木质素中的酶的另一个潜在结果可能是用于定制木质素化学性质的遗传策略。
降低p BA 可能会改善用于制浆、造纸和生物燃料生产等过程的木质生物质的“脱木素”。
相反，提高木质素的p BA 水平可能会提高木材的耐久性，同时还可以通过将更多的碳锁定在植物生物质中来提供长期碳封存的途径——这是 DOE 的另一个关键目标。
“这项工作是基础科学研究导致潜在有价值的下游应用的一个很好的例子，”布鲁克海文实验室生物学系主任 John Shanklin 说。
参考文献：“Monolignol acyltransferase for lignin p -hydroxybenzoylation in Populus ” by Yunjun Zhao、Xiaohong Yu、Pui-Ying Lam、Kewei Zhang、Yuki Tobimatsu 和 Chang-Jun Liu，2021 年 8 月 5 日，Nature Plants。
DOI: 10.1038/s41477-021-00975-1
该研究是与日本京都大学的 Yuki Tobimatsu 和 Pui-Ying Lam 合作进行的。布鲁克海文的工作由美国能源部科学办公室（包括通过联合生物能源研究所，美国能源部的生物能源研究中心之一）和布鲁克海文的实验室指导研究和开发计划资助。