Cấu trúc ngô mới có thể cải thiện sản xuất nhiên liệu sinh học

Nghiên cứu về cây nông nghiệp quan trọng nhất về kinh tế của Hoa Kỳ – ngô – đã tiết lộ một cấu trúc bên trong khác của cây trồng này so với suy nghĩ trước đây, có thể giúp tối ưu hóa cách ngô được chuyển đổi thành ethanol.

“Nền kinh tế của chúng tôi phụ thuộc vào ethanol, vì vậy điều đó thật hấp dẫn khi chúng tôi chưa có sự hiểu biết đầy đủ và chính xác hơn về cấu trúc phân tử của ngô cho đến nay”, Tuo Wang – Giáo sư Khoa học của LSU, người đứng đầu nghiên cứu đươc công bố  trên Nature Communications cho biết.

“Hiện tại, gần như tất cả xăng chứa khoảng 10% ethanol. Một phần ba tổng sản lượng ngô ở Mỹ, khoảng 5 tỷ giạ mỗi năm, được sử dụng để sản xuất ethanol. Ngay cả khi cuối cùng chúng ta có thể cải thiện hiệu quả sản xuất ethanol thêm 1 hoặc 2%, nó có thể mang lại lợi ích đáng kể cho xã hội”.

Giáo sư Wang và các đồng nghiệp là những người đầu tiên điều tra một thân cây ngô còn nguyên vẹn ở cấp độ nguyên tử bằng các kỹ thuật có độ phân giải cao. Nhóm LSU bao gồm Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Xue Kang và hai sinh viên tốt nghiệp là Malitha Dickwella Widanage từ Colombo, Sri Lanka và Alex Kirui từ Nakuru, Kenya.

Trước đây, người ta đã nghĩ rằng cellulose, một loại carbohydrate phức tạp và cứng, hoạt động giống như một giàn giáo trong ngô và các loại thực vật khác, kết nối trực tiếp với một loại polymer không thấm nước gọi là lignin. Tuy nhiên, Giáo sư Wang và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng lignin đã hạn chế tiếp xúc với cellulose bên trong một cây. Thay vào đó, carbohydrate phức tạp có tên là xylan kết nối cellulose và lignin như một chất keo.

Trước đây, người ta cũng nghĩ rằng các phân tử cellulose, lignin và xylan được trộn lẫn, nhưng các nhà khoa học phát hiện ra rằng chúng có các miền riêng biệt và các miền này thực hiện các chức năng riêng biệt.

Tôi đã rất ngạc nhiên. Phát hiện của chúng tôi thực sự đi ngược lại với sách giáo khoa, giáo sư Wang nói.

Lignin với đặc tính chống thấm nước là thành phần cấu trúc quan trọng trong thực vật. Lignin cũng đặt ra một thách thức đối với sản xuất ethanol vì nó ngăn chặn đường được chuyển đổi thành ethanol trong nhà máy. Nghiên cứu quan trọng đã được thực hiện về cách phá vỡ cấu trúc thực vật hoặc nhân giống các loại cây trồng dễ tiêu hơn để sản xuất ethanol hoặc nhiên liệu sinh học khác. Tuy nhiên, nghiên cứu này đã được thực hiện mà không có bức tranh đầy đủ về cấu trúc phân tử của thực vật.

“Nhiều công việc trong các phương pháp sản xuất ethanol có thể cần tối ưu hóa hơn nữa, nhưng nó mở ra cơ hội mới để cải thiện cách chúng ta xử lý sản phẩm có giá trị này”, Giáo sư Wang nói.

Điều này có nghĩa là một loại enzyme hoặc hóa chất tốt hơn có thể được thiết kế để phá vỡ lõi sinh khối của cây một cách hiệu quả hơn. Những phương pháp mới này cũng có thể được áp dụng cho sinh khối ở thực vật và sinh vật khác.

Ngoài ngô, Giáo sư Wang và các đồng nghiệp đã phân tích ba loài thực vật khác: lúa, cỏ ngọt cũng được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học và loài thực vật mô hình Arabidopsis, một loài thực vật có hoa liên quan đến bắp cải. Các nhà khoa học thấy rằng cấu trúc phân tử giữa bốn loại thực vật là tương tự nhau.

Họ đã phát hiện ra điều này bằng cách sử dụng thiết bị quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn tại LSU và tại Phòng thí nghiệm của Quỹ khoa học quốc gia ở Tallahassee, Fla. Các nghiên cứu trước đây sử dụng kính hiển vi hoặc phân tích hóa học đã không cho thấy cấu trúc cấp độ nguyên tử của cấu trúc tế bào thực vật nguyên vẹn, nguyên thủy. Giáo sư Wang và các đồng nghiệp là những người đầu tiên đo trực tiếp cấu trúc phân tử của những cây còn nguyên vẹn này.

Họ hiện đang phân tích gỗ từ bạch đàn, cây dương và cây vân sam, có thể giúp cải thiện sản xuất giấy và các ngành công nghiệp phát triển vật liệu.