Ключ к воплощению этого видения в реальность? Распутывание плотно намотанной сети молекул — целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, составляющих клеточную стенку растений, для облегчения переработки биотоплива.
Используя высокопроизводительные вычисления, группа исследователей из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) дала представление о том, как этого можно достичь, смоделировав хорошо зарекомендовавшую себя генетическую модификацию лигнина осинового дерева в детализация на атомарном уровне. Вывод команды — гидрофобный или водоотталкивающий лигнин меньше связывается с гидрофильной или водоотталкивающей гемицеллюлозой — указывает исследователям на перспективный способ создания лучших растений для производства биотоплива.
Их результаты были опубликованы в выпуске журнала Physical Chemistry Chemical Physics за ноябрь 2014 г.
Исследование важно, потому что лигнин, который имеет решающее значение для выживания растений в дикой природе, представляет проблему для производства этанола, не позволяя ферментам расщеплять целлюлозу на простые сахара для ферментации.
Джереми Смит, директор Центра молекулярной биофизики ORNL и заведующий кафедрой Университета Теннесси, руководил проектом. Моделирование его командой генетически модифицированной молекулы лигнина, связанной с молекулой гемицеллюлозы, добавляет контекст к работе, проводимой исследователями из Научного центра биоэнергетики Министерства энергетики США (BESC), которые продемонстрировали, что генетическая модификация лигнина может увеличить количество биотоплива, полученного из растительного материала, без ущерба для здоровья человека. структурная целостность завода.
BESC поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США.
«Ученые BESC случайным образом создали множество различных лигнинов путем генетической модификации», — сказал Смит. "Они нашли тот, который сработал для них, но они хотели знать, почему это сработало."
Чтобы найти ответ, команда Смита обратилась к Titan, суперкомпьютеру с производительностью 27 петафлопс в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США.
Переделка осины
Осины являются одними из самых распространенных деревьев в Северной Америке, с жилой зоной, которая простирается через север США и Канаду. Как часть рода Populus, в который входят тополя и тополь, они известны своим быстрым ростом и способностью адаптироваться к различным условиям — два качества, которые делают их главными кандидатами на получение целлюлозного этанола.
По сравнению с традиционными биотопливными культурами, такими как кукуруза и сахарный тростник, осина требует минимального ухода; их также можно выращивать в районах, где не могут расти продовольственные культуры.
Но выносливость, которая позволяет осинам процветать в природе, делает их устойчивыми к ферментативному расщеплению во время ферментации, что является важным шагом для преобразования биомассы в этанол. Эта проблема может быть связана с молекулярным составом клеточной стенки растений, где лигнин и гемицеллюлоза связываются, образуя запутанную сетку вокруг целлюлозы.
Целлюлоза, сложный углевод, состоящий из нитей глюкозы, составляет почти половину всего растительного вещества.
Он придает растениям их структуру и является важным веществом, необходимым для производства целлюлозного этанола. Чтобы разрушить целлюлозу, нужно отказаться от лигнина, отходов производства биотоплива, который требует дорогостоящей обработки для выделения и удаления. Ученые BESC обнаружили, что с помощью гаечного ключа на линии сборки лигнина растительных клеток они могут увеличить производство биотоплива на 38 процентов.
В природе лигнин увеличивает прочность целлюлозных волокон и защищает растения от хищников и болезней.
Молекулы лигнина состоят из нескольких химических групп, состоящих из углерода, кислорода и водорода, которые собираются внутри клетки во время процесса, называемого биосинтезом. Во время сборки ферменты катализируют молекулы в более сложные единицы.
Подавляя ключевой фермент, циннамиловый спиртдегидрогеназу, ученые BESC создали «неполную» молекулу лигнина. Вместо гидрофильной спиртовой группы (молекула кислород-водород, связанная с насыщенным водородом атомом углерода) конечный полимер лигнина содержал гидрофобную альдегидную группу (атом углерода, связанный двойной связью с атомом кислорода).
«Мы хотели увидеть, есть ли разница в сети лигнин-гемицеллюлоза, если вы замените водостойкие альдегиды в лигнине на водоотталкивающие спирты», — сказал Лукас Петридис, научный сотрудник ORNL. «Генетики знали, что модифицированное растение легче разрушить, но у них не было объяснения на атомном уровне, которое может дать такой суперкомпьютер, как Титан."
Поиск ярлыка с NAMD
Используя код молекулярной динамики под названием NAMD, команда провела моделирование дикого лигнина и генетически модифицированного лигнина в водном кубе, моделируя присутствие альдегидов, изменяя частичные заряды атомов кислорода и водорода на аллильном сайте модифицированного лигнина.
Команда смоделировала несколько прогонов каждой системы из 100000 атомов в течение нескольких сотен наносекунд, отслеживая положение атомов с шагом во времени в фемтосекунду или тысячу триллионную долю секунды. Сравнение моделирования показало более слабое взаимодействие между гемицеллюлозой и модифицированным лигнином, чем с диким лигнином, что позволяет предположить, что гидрофобный лигнин меньше взаимодействует с гидрофильной гемицеллюлозой.
«Из этого можно сделать проверяемое предположение, что повышение гидрофобности лигнина может привести к появлению растений, которые легче разрушить для получения биотоплива», — сказал Петридис. "Это вид рационального понимания, который мы можем предоставить с помощью компьютерного моделирования.
"Потребовалось десятилетие работы, чтобы определить все этапы биосинтеза лигнина и найти способы манипулировать генами. В будущем мы надеемся обойти часть этой работы, продолжая проверять наши модели на экспериментах и делать хорошие предложения о генах с помощью суперкомпьютеров.
Вот где проявляется предсказательная сила молекулярно-динамических кодов, таких как NAMD."
Выделение проекта было частью 59 миллионов процессорных часов, выделенных команде Смита на Титане в 2014 году в рамках программы Leadership Computing Challenge, или ALCC, Министерства энергетики США.
Двигаясь вперед, группа Смита стремится к дальнейшей валидации моделирования молекулярной динамики в качестве инструмента прогнозирования путем моделирования генетически модифицированной формы проса просо, другого растения, предназначенного для производства целлюлозного этанола.
"Эта модификация немного более тонкая и более сложная для моделирования", — сказал Петридис. "Следующий шаг — выяснить, насколько хорошим может быть инструмент прогнозирования NAMD."