2023-10-26 アメリカ合衆国・ブルックヘブン国立研究所(BNL)
・ BNL、京都大学およびノースカロライナ大学が、植物の細胞壁を構成する強固なリグニンを改変し、バイオ燃料やバイオ製品に使用できる糖類を取り出しやすくする、モノリグノール 4-O-メチルトランスフェラーゼ(MOMTs)酵素である MOMT4 と MOMT9 を開発。
・ リグニンのサブユニットのモノリグノールの改変に設計されたこれらの酵素は、リグニン分子を改変し、複雑な構造中に閉じ込められているバイオマスである糖類へのアクセスを提供する。
・ 植物のバイオマスは、光合成で生産されたエネルギーの豊富な複合的な糖類の分子を多く蓄えている。植物の細胞壁は、この糖分子に加え、植物の構造を支えるリグニンで構成されており、このリグニンを低減させて糖類を取り出すことが、植物からの燃料製造の焦点となっている。
・ MOMTs は自然には存在しない酵素で、リグニンの主要な構成要素のモノリグノールの化学構造を改変するように設計されている。改変によりモノリグノール同士の結合を回避することで、植物のリグニン含有量を低減させて糖類をより容易に取り出せるようになる。
・ 過去の研究にてポプラでの MOMTs の発現に成功し、リグニン量を低減させて糖類をより多く取り出すことができた。今回の研究では、水や養分の少ない厳しい環境でも育成し、バイオマス収量の豊富なイネ科の植物への使用を試みた。
・ MOMT4 および MOMT9 を発現した植物の細胞壁ではリグニンが減少して薄く変形し、非発現植物に比して MOMT4 発現では糖類を 30%多く、MOMT9 発現では 15%多く取り出せすことができた。
・ イネ科の植物の細胞壁には、その構成要素を結合させて強化し分解しにくくするフェノール化合物も含まれる。MOMT4 と MOMT9 の発現では、フェノール化合物やトリシンと呼ばれるフェノール類の細胞壁への取り込みを低減させ、細胞壁がさらに弱化したことを確認。また、改変されたフェノール類が植物の細胞に蓄積されることも確認した。
・ ただし、MOMT9 発現植物の育成度合いの抑制によるバイオマス量の減少や、種子が生産されない等の致命的な課題が残るため、繁殖器官以外でリグニンを改変する制御方法について検討する。
・ 本研究には、米国エネルギー省(DOE) 科学局(SC)が資金を提供した。
URL: https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121488
＜NEDO海外技術情報より＞
関連情報
Plant Biotechnology Jorunal 掲載論文(フルテキスト）
Simultaneous suppression of lignin, tricin and wall-bound phenolic biosynthesis via the expression of
monolignol 4-O-methyltransferases in rice
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14186
Summary
Grass lignocelluloses feature complex compositions and structures. In addition to the presence of conventional lignin units from monolignols, acylated monolignols and flavonoid tricin also incorporate into lignin polymer; moreover, hydroxycinnamates, particularly ferulate, cross-link arabinoxylan chains with each other and/or with lignin polymers. These structural complexities make grass lignocellulosics difficult to optimize for effective agro-industrial applications. In the present study, we assess the applications of two engineered monolignol 4-O-methyltransferases (MOMTs) in modifying rice lignocellulosic properties. Two MOMTs confer regiospecific para-methylation of monolignols but with different catalytic preferences. The expression of MOMTs in rice resulted in differential but drastic suppression of lignin deposition, showing more than 50% decrease in guaiacyl lignin and up to an 90% reduction in syringyl lignin in transgenic lines. Moreover, the levels of arabinoxylan-bound ferulate were reduced by up to 50%, and the levels of tricin in lignin fraction were also substantially reduced. Concomitantly, up to 11 μmol/g of the methanol-extractable 4-O-methylated ferulic acid and 5–7 μmol/g 4-O-methylated sinapic acid were accumulated in MOMT transgenic lines. Both MOMTs in vitro displayed discernible substrate promiscuity towards a range of phenolics in addition to the dominant substrate monolignols, which partially explains their broad effects on grass phenolic biosynthesis. The cell wall structural and compositional changes resulted in up to 30% increase in saccharification yield of the de-starched rice straw biomass after diluted acid-pretreatment. These results demonstrate an effective strategy to tailor complex grass cell walls to generate improved cellulosic feedstocks for the fermentable sugar-based production of biofuel and bio-chemicals.
