Ein multidisziplinärer Ansatz hat es Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums (DOE) ermöglicht, die relative Positionierung und Anordnung der Polymere im Populus-Holz quantitativ zu definieren und ein Computermodell zu erstellen, das die Ergebnisse detailliert beschreibt.
Die Forschung zur Lösung dieses makromolekularen Rätsels veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte, könnte der Schlüssel zur effizienten Entflechtung und Zerlegung von Biomasse für die Umwandlung in Kraftstoffe, Chemikalien und Materialien sein. Wissenschaftler wissen seit langem, dass die sekundäre Zellwand von Harthölzern aus drei großen Biopolymeren besteht – Zellulose, Hemizellulose und Lignin –, aber ein detailliertes und quantitatives Verständnis darüber, wie diese Polymere relativ zueinander angeordnet sind, ist noch nicht bekannt.
Bennett Addison, der leitende Kernspinresonanzspektroskopiker (NMR) am NREL und Erstautor des Zeitschriftenartikels, verwendete die Analogie eines zerstörten Hauses. „Der Trümmerhaufen besteht immer noch aus Holz, Beton, Trockenbauwänden und Glas, aber es ist sicherlich kein Haus mehr. Es kommt darauf an, wie die einzelnen Bestandteile zueinander angeordnet sind. Ebenso kann man nicht einfach Zellulose nehmen.“ , Hemizellulose und Lignin und werfen sie auf einen Haufen und nennen ihn eine pflanzliche sekundäre Zellwand.“
Die Forscher nutzten Fortschritte auf dem Gebiet der Festkörper-Kernspinresonanztechnologie (ssNMR), um verfeinerte Details über die strukturelle Konfiguration der Zellwand, die intermolekularen Wechselwirkungen und die relativen Positionen der Biopolymere im Holz abzuleiten.
Das Papier ist „Atomistisches, makromolekulares Modell der Populus-Sekundärzelle, quantitativ informiert durch Festkörper-NMR“. Die Co-Autoren, alle vom NREL, sind Lintao Bu, Vivek Bharadwaj, Meagan Crowley, Anne Harman-Ware, Mike Crowley, Yannick Bomble und Peter Ciesielski.
Der Einsatz von ssNMR ermöglichte es den Forschern, ein Computermodell der Zellwand zu erstellen, das einen besseren Einblick in die Rolle von Lignin lieferte. Lignin gilt als widerspenstiger Teil der Zellwand, wenn es um den Abbau von Biomasse geht, und zeichnet sich dadurch aus, dass es einer Pflanze Plastizität verleiht.
„Die Formulierung von Ergebnissen in einem rechnerisch zugänglichen molekularen Modell ist grundsätzlich nützlicher als eine konzeptionelle Illustration“, sagte Ciesielski, der Mitautor dieser Studie vom Renewable Resources and Enabling Sciences Center des NREL. „Es ermöglicht uns, Hypothesen über die Rollen und Verhaltensweisen jeder Komponente in einer physikbasierten Umgebung schnell zu bewerten und die Leistungsfähigkeit des modernen Hochleistungsrechnens freizusetzen. Dies wird dazu beitragen, effizientere Dekonstruktionsansätze zu entwickeln oder molekulare Modifikationen zu identifizieren, um bessere biobasierte Materialien herzustellen.“ .“
Bomble, der andere mitkorrespondierende Autor dieser Studie vom Biosciences Center des NREL, sagte, dass frühere Forschungen zum Aufbau einer sekundären Zellwand auf Techniken beruhten, die insgesamt unvollständige oder nicht schlüssige Ergebnisse lieferten. Diese Erkenntnisse führten zu Zeichnungen mit Näherungswerten der Verbindungen zwischen den Biopolymeren.
„Hier ist das erste Mal, dass wir wirklich einen Blick auf die gesamte Struktur werfen können, wobei eine quantitative Technik diesen Detaillierungsgrad bietet“, sagte Bomble. „Das wurde noch nie erreicht.“
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Bennett Addison et al., Atomistisches, makromolekulares Modell der Populus-Sekundärzellwand, informiert durch Festkörper-NMR, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adi7965