剑桥大学Nature Plants：木材改性促进生物质更易转化为单糖和生物乙醇

通过添加一种天然存在的聚合物，使木材变得更加多孔，科学家们将树木设计成更容易拆卸成更简单的积木。

化石燃料是能源、化学品和许多材料的主要来源，但也是温室气体排放的很大一部分。为了实现碳中和，今天由化石燃料制成的大部分产品明天将必须由生物质制成。随着对可持续材料和可再生能源的需求不断增长，人们对植物原料进行了研究，但将木本植物生物质转化为燃料和其他有用产品在化学和能源方面的要求非常高。

直到今天，了解 如何改变木质生物质以提高其转化为更简单成分的效率的研究主要针对木材中已经存在的复杂聚合物 。

剑桥大学塞恩斯伯里实验室 (SLCU)前研究员、现供职于弗里德里希·米歇尔生物医学研究所的Bourdon 博士和同事采取了不同的途径。

他们采用了胼胝质（一种天然存在于某些植物细胞壁中的聚合物），并成功地将其改造为植物特有的次生细胞壁——木材。这项发表在 Nature Plants 杂志 上的研究涉及多个机构的国际合作，表明 富含胼胝质的木材比非工程木材更容易转化为单糖和生物乙醇 。

团队首先将小型模型植物拟南芥 ( Arabidopsis thaliana ) 转化为在其次生壁中生物合成胼胝质。他表明，植物可以在其次生细胞壁中容纳新的聚合物，而不会对生长产生任何负面影响。”

无胼胝质沉积（左）和有胼胝质沉积（右）的杨树大原纤维组装模型。胼胝质在大原纤维之间自我聚集，这解释了所观察到的次生细胞壁孔隙度的增加。受影响的孔径范围为4-30 nm，处于水解酶的孔径范围内。因此，胼胝质被认为充当次生细胞壁聚合物的亲水间隔物，进一步促进水解酶的进入以进行随后的糖化。（图最初发表于 Bourdon 等人，2023 年《自然植物》。

将树木工程改造为更高效、更可持续的生物质转化原料

改用快速生长的树木，即落叶杂交白杨（Populus tremula x tremuloides），研究小组发现富含胼胝质的木材表现出有趣的新特性，例如 增加的吸湿性和孔隙率 ， 这使得聚合物更容易提取和转化为更简单的构建模块，如糖或生物乙醇 。

Bourdon 博士表示：“ 了解添加胼胝质对工程木材的超微结构影响非常具有挑战性。Paul Dupree和Ray Dupree团队在剑桥大学和华威大学进行的尖端实验是这个研究的基石。事实上，他们令人惊讶地发现胼胝质不与其他聚合物相互作用，但表明胼胝质可以充当吸引水的细胞壁间隔物。这种方法激励我们寻找超出我们自身专业知识的答案，并建立进一步的合作来开展这项多学科的研究，范围从 基因工程、生物化学、结构生物学到材料科学 。”

“我们预计，我们的工程木材将有利于生物材料和生物燃料的生产，依赖于生物质解构和聚合物可及性， 例如包装材料，甚至是先进的生物材料，如纤维素纳米纤维和脱木质素木材 。下一步是进行实地试验以证实我们的发现并评估富含胼胝质的树木在真实林业条件下的性能。我们还希望，将一种新聚合物引入木材的发现将激励其他研究人员引入其他类型的聚合物来实现定制应用。”

来源：

www.slcu.cam.ac.uk

DOI：https://doi.org/10.1038/s41477-023-01459-0