1

درختان صنوبر تنها چوب تولید نمی‌کنند، بلکه با تغییر شرایط اقلیمی شیمی آن را هم بازطراحی می‌کنند. این انعطاف‌پذیری ذاتی تعیین می‌کند که توده زیستی (بیوماس) آن‌ها تا چه اندازه می‌تواند به سوخت‌ها و مواد تجدیدپذیر تبدیل شود.

یک تیم به رهبری دانشگاه میزوری با همکاری آزمایشگاه ملی اوک‌ریج و دانشگاه جورجیا بررسی کرد که محیط چگونه «لیگنین» را تغییر می‌دهد؛ پلیمر سختی که باعث استحکام گیاهان می‌شود.

این پژوهش مسیری تازه برای تولید سوخت‌های زیستی و پلاستیک‌های زیستی کارآمدتر را آشکار می‌کند، از طریق هماهنگی ژنتیک درختان با شرایط رشد.

چرا لیگنین اهمیت دارد؟

لیگنین در همه‌ جای گیاهان وجود دارد؛ از ساقه گرفته تا ریشه و برگ‌ها. این ماده نقش تقویت‌کننده، انتقال‌دهنده آب و محافظ بافت‌ها در برابر استرس را ایفا می‌کند.

لیگنین به‌عنوان چسب و زره طبیعی

به گفته «خایمه باروس-ریوس» استادیار زیست‌شناسی مولکولی گیاهی:

«لیگنین هم مانند چسب عمل می‌کند و هم مانند زره. این ماده همه‌چیز را به هم متصل نگه می‌دارد و همزمان گیاه را از تنش‌های بیرونی محافظت می‌کند.»

او افزود:

«درک نحوه تولید لیگنین توسط گیاهان می‌تواند به ما کمک کند تا تبدیل آن به مواد باارزش‌تر را بهبود بخشیم و رقابت‌پذیری پالایشگاه‌های زیستی آمریکا را افزایش دهیم.»

چالش بزرگ در تبدیل لیگنین

اگر پردازش لیگنین ساده‌تر شود، تولید سوخت‌ها و مواد سبز اقتصادی خواهد بود. در غیر این صورت هزینه انرژی و مواد شیمیایی سر به فلک می‌کشد.

صنوبرها در اقلیم‌های مختلف

درختان صنوبر مدت‌هاست که در صنعت کاغذ و خمیر کاغذ به‌عنوان منبع اصلی به‌کار می‌روند. این درختان همچنین گزینه‌ای عالی برای انرژی زیستی هستند زیرا:

• ژنوم آن‌ها به‌طور کامل نقشه‌برداری شده
• رشد سریعی دارند
• در گستره وسیعی از اقلیم‌ها کاشته می‌شوند

مطالعه گسترده روی ۴۳۰ درخت صنوبر

تیم پژوهشی ۴۳۰ درخت Populus trichocarpa را از شمال کالیفرنیا تا بریتیش کلمبیا بررسی کرد.

• مناطق گرم‌تر چوبی با نسبت بالاتر سیرینگیل به گایاسیل (S/G) تولید کردند.
• مناطق خنک‌تر نسبت پایین‌تری نشان دادند.

به گفته «وی‌وی ژو» پژوهشگر فوق‌دکتری:

«این نسبت S/G میزان دو مونومر اصلی لیگنین را نشان می‌دهد. ساختار شیمیایی متفاوت آن‌ها ویژگی‌های چوب را تغییر می‌دهد و مشخص می‌کند که لیگنین تا چه حد به‌راحتی شکسته و پردازش شود.»

اهمیت این نسبت در صنعت

• نسبت بالاتر سیرینگیل → پردازش آسان‌تر → هزینه و کربن کمتر در پالایشگاه‌ها
• نسبت پایین‌تر → پردازش دشوارتر و انرژی‌بر

پروتئینی که صنوبر را محافظت می‌کند

تنها مشاهده الگوهای میدانی کافی نبود. محققان ژنتیک را با مدل‌سازی سه‌بعدی پروتئین ترکیب کردند.

کشف جهش در آنزیم لَکاز

«راشل وبر» دانشجوی بیوشیمی دانشگاه میزوری توضیح داد:

«ما جهشی در آنزیم مهم دیواره سلولی صنوبر به نام لکاز یافتیم که نسبت S/G را کنترل می‌کند.»

او با استفاده از نرم‌افزار ColabFold موقعیت دقیق این جهش را در پروتئین لکاز مشخص کرد.

شگفتی بزرگ

این تغییر اسیدآمینه در جای معمول آنزیم‌ها (محل کاتالیزوری) نبود. همین موضوع نشان می‌دهد که عوامل بالادستی و سیگنال‌های سلولی در شکل‌گیری لیگنین نقش دارند؛ چیزی فراتر از زیست‌شیمی کلاسیک.

وبر گفت:

«این یافته نشان‌دهنده تنظیم پیچیده‌تر از آن چیزی است که فکر می‌کردیم و سرنخ‌های تازه‌ای درباره سازگاری و حفاظت درختان به ما می‌دهد.»

لیگنین نادر در صنوبرها

یافته غیرمنتظره دیگر، وجود مقادیر کمی C-لیگنین در صنوبر بود. پیش‌تر این نوع ساده و یکنواخت فقط در دانه‌هایی مثل وانیل و کاکتوس یافت شده بود.

مزیت C-لیگنین

• ساختار ساده‌تر
• پیوندهای کمتر
• تجزیه آسان‌تر
• تبدیل کارآمدتر به بیوپلاستیک، سوخت زیستی و محصولات تجدیدپذیر

به گفته باروس-ریوس:

«این نوع لیگنین می‌تواند به ما کمک کند تا زیست‌توده گیاهی را کارآمدتر به مواد شیمیایی باارزش تبدیل کنیم.»

حتی مقادیر اندک نشان می‌دهد که مسیر ژنتیکی آن در بافت‌ها وجود دارد. مهندسان می‌توانند با تغییر ژنتیکی این مسیر را تقویت کنند.

طراحی گیاهان سبزتر

پیام کوتاه و فوری

• اقلیم و ژنتیک هر دو بر ساختار لیگنین اثر می‌گذارند.
• مکان‌های گرم‌تر نسبت S/G را افزایش می‌دهند.
• جهش در لکاز تعادل را تغییر می‌دهد.
• حضور لیگنین نادر مسیرهای تازه‌ای باز می‌کند.

هدف بلندمدت

تیم میزوری در حال تلاش برای افزایش تولید C-لیگنین در صنوبر و سویا است.

هدف روشن است:

ایجاد گیاهانی که زیست‌توده آن‌ها به‌راحتی به مولکول‌های موردنیاز پالایشگاه‌های آینده تبدیل شود.

این موضوع به کاهش مصرف انرژی، کاهش ضایعات و شتاب‌گیری گذار از نفت به منابع گیاهی کمک می‌کند.

نتیجه‌گیری

لیگنین همچنان نقش طبیعی خود را در درختان زنده ایفا می‌کند: استحکام‌بخشی، آب‌بندی و محافظت. اما با درک بهتر از نحوه تغییر آن در پاسخ به اقلیم و استرس، محققان می‌توانند مسیر استفاده انسان از آن را نیز تغییر دهند.

این پژوهش می‌تواند زمینه‌ساز حرکت سریع‌تر به‌سوی سوخت‌ها و موادی باشد که از جنگل‌ها و مزارع آغاز می‌شوند و اقتصادی زیستی را شکل دهند که وابستگی کمتری به نفت دارد.

این مطالعه در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.