Превращение деревьев, травы и другой биомассы в топливо для автомобилей и самолетов - дорогостоящий и сложный процесс. Исследователи биотоплива работают над тем, чтобы изменить это, предвидя будущее, в котором целлюлозный этанол, спирт, полученный из растительных сахаров, будет так же распространен и доступен на заправочной станции, как и бензин..
Ключ к воплощению этого видения в реальность? Распутывание тесно сплетенной сети молекул - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина - которые составляют клеточную стенку растений для облегчения переработки в биотопливо.
Используя высокопроизводительные вычисления, группа исследователей из Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) представила информацию о том, как это может быть достигнуто, моделируя хорошо зарекомендовавшую себя генетическую модификацию лигнина. осины в деталях на атомарном уровне. Вывод группы о том, что гидрофобный или водоотталкивающий лигнин меньше связывается с гидрофильной или притягивающей воду гемицеллюлозой, указывает исследователям на многообещающий способ создания лучших растений для производства биотоплива. Их результаты были опубликованы в ноябрьском выпуске журнала Physical Chemistry Chemical Physics за 2014 год.
Это исследование важно, потому что лигнин, который имеет решающее значение для выживания растений в дикой природе, создает 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, дополняет работу, проведенную исследователями из Центра биоэнергетики Министерства энергетики США (BESC), которые продемонстрировали, что генетическая модификация лигнина может увеличить количество биотоплива, полученного из растительного материала, без ущерба для окружающей среды. структурная целостность растения. BESC поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США.
«Ученые BESC создали множество различных лигнинов случайным образом посредством генетической модификации», - сказал Смит. «Они нашли то, что им помогло, но хотели знать, почему оно работает».
Чтобы найти ответ, команда Смита обратилась к Титану, суперкомпьютеру с производительностью 27 петафлопс в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), учреждении DOE Office of Science User User Facility.
Переделка осины
Осины являются одними из самых распространенных деревьев в Северной Америке, их обитаемая зона простирается на север Соединенных Штатов и Канаду. Являясь частью рода Populus, в который входят тополя и тополя, они известны своим быстрым ростом и способностью адаптироваться к разнообразным 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, важного шага для преобразования биомассы в этанол. Эту проблему можно проследить до молекулярного состава клеточной стенки растений, где лигнин и гемицеллюлоза связываются, образуя запутанную сетку вокруг целлюлозы.
Целлюлоза, сложный углевод, состоящий из нитей глюкозы, составляет почти половину всех растительных веществ. Он придает растениям их структуру и является важным веществом, необходимым для производства целлюлозного этанола. Чтобы расщепить целлюлозу, нужно избавиться от лигнина, побочного продукта производства биотоплива, для выделения и удаления которого требуется дорогостоящая обработка. Включив гаечный ключ в линию сборки лигнина растительной клетки, ученые BESC обнаружили, что могут увеличить производство биотоплива на 38 процентов.
В природе лигнин придает прочность целлюлозным волокнам и защищает растение от хищников и болезней. Молекулы лигнина состоят из нескольких химических групп, состоящих из углерода, кислорода и водорода, которые собираются внутри клетки в процессе, называемом биосинтезом. Во время сборки ферменты катализируют молекулы в более сложные единицы. Подавив ключевой фермент, коричную 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, дважды связанный с атомом кислорода).
«Мы хотели посмотреть, будет ли разница в сети лигнин-гемицеллюлоза, если вы замените водостойкие альдегиды в лигнине водопритягивающими спиртами», - сказал Лукас Петридис, штатный научный сотрудник ORNL. «Генетики знали, что модифицированное растение легче разрушить, но у них не было объяснения на атомном уровне, которое мог бы дать такой суперкомпьютер, как Титан».
Поиск ярлыка с помощью NAMD
Используя код молекулярной динамики под названием NAMD, команда провела моделирование дикого лигнина и генетически модифицированного лигнина в водяном кубе, смоделировав присутствие альдегидов путем изменения частичных зарядов атомов кислорода и водорода на модифицированный аллильный сайт лигнина.
Команда смоделировала несколько прогонов каждой системы из 100 000 атомов в течение нескольких сотен наносекунд, отслеживая положение атомов с шагом в фемтосекунду, или 1 тысячную триллионную долю секунды. Сравнение моделирования показало более слабое взаимодействие между гемицеллюлозой и модифицированным лигнином, чем с диким лигнином, предполагая, что гидрофобный лигнин меньше взаимодействует с гидрофильной гемицеллюлозой.
«Из этого можно сделать проверяемое предположение, что повышение гидрофобности лигнина может привести к получению растений, которые легче разобрать на биотопливо», - сказал Петридис. «Это своего рода рациональное понимание, которое мы можем обеспечить с помощью компьютерного моделирования.
Потребовалось десятилетие работы, чтобы определить все этапы биосинтеза лигнина и найти способы манипулирования генами. В будущем мы надеемся обойти часть работы, продолжая проверять наши модели на экспериментах и улучшая предложения о генах с помощью суперкомпьютеров. Вот где проявляется предсказательная сила молекулярно-динамических кодов, таких как NAMD».
Распределение на проект было частью 59 миллионов процессорных часов, выделенных команде Смита на Титане в 2014 году в рамках программы Leadership Computing Challenge Управления перспективных научных вычислительных исследований (ASCR) Министерства энергетики США, или ALCC.
Двигаясь вперед, группа Смита стремится к дальнейшему подтверждению моделирования молекулярной динамики в качестве инструмента прогнозирования путем моделирования генетически модифицированной формы проса, еще одного растения, предназначенного для получения целлюлозного этанола.
«Эта модификация немного более тонкая и более сложная для моделирования», - сказал Петридис. «Выяснение того, насколько хорошим может быть прогностический инструмент NAMD, - это следующий шаг».