תמליל והמטבוליט Profiling להערכת של טבק ועץ צפצפה כחומר גלם לתעשייה המבוססת על ביו
Summary
ביומסה במפעל מציע משאב מתחדש למספר רב של מוצרים, כוללים דלק, מזון, מזון ומגוון רחב של חומרים. במאמר זה אנו לחקור את המאפיינים של עץ טבק (Nicotiana glauca) ומקורות מתאימים כמו צפצפה לצינור biorefinery.
Abstract
הביקוש העולמי למזון, מזון, אנרגיה ומים מציב אתגרים יוצאי דופן לדורות הבאים. ניתן לראות כי פלטפורמות חזקות לחקר משאבים מתחדשים הן הכרחיות כדי להתגבר על אתגרים אלה. במסגרת רב לאומית MultiBioPro אנו מפתחים צינורות biorefinery למקסם את השימוש של ביומסה במפעל. באופן ספציפי יותר, אנו משתמשים בצפצפה ועץ טבק (Nicotiana glauca) כיבול יעד מינים לשיפור saccharification, isoprenoid, תכולת פחמימנים שרשרת ארוכה, באיכות סיבים, ותכנים שעימן וליגנין. השיטות המשמשות לקבל פלטים אלה כוללות GC-MS, LC-MS ופלטפורמות רצף RNA. צינורות המטבוליט מבוססים היטב בכלים כדי לייצר סוגים אלה של נתונים, אבל יש גם יכולות לשמש את המגבלות שבמטבוליטים רק מאופיינים היטב. רצף העמוק יאפשר לנו לכלול את כל התמלילים הנוכחים במהלך שלבי ההתפתחות של עלה עץ הטבק, אבל hכמו להיות ממופה חזרה לרצף של tabacum Nicotiana. עם להגדיר קופצים אלה, אנו שואפים בהבנה בסיסית של תהליכים הבסיסיים ובהקמת מסגרת תעשייתית לנצל את התוצאות. בראייה ארוכת טווח יותר, אנו מאמינים כי הנתונים שנוצרו כאן יספק אמצעי לתהליך biorefinery קיימא באמצעות עץ צפצפה וטבק כחומר גלם. עד כה ברמה הבסיסית של מטבוליטים בדגימות כבר ניתח והפרוטוקולים מנוצלים מסופקים במאמר זה.
Introduction
אוכלוסייה וצמיחה כלכלית גרמו לביקוש הולך וגובר למזון, מים ודלק. חלק גדול מציוד אלה מיוצרים, מעובד ומועבר באמצעים מבוססי מאובנים סופיים, כגון נפט. היא, לעומת זאת, ברורה שבפועל זה לא בר קיימא, והפיתוח של משאבים חלופיים יהיה אפוא להיות חשיבות רבה 1. משאבים מתחדשים רבים, בדרגות שונות, כיום מנוצלים לרעה, כוללים רוח, תנועת מים, שמש, אנרגיה גיאותרמית, ולנופף במקורות אנרגיה מבוססות. משאב בר קיימא ומידה רב בלתי מנוצל נוסף הוא ביומסה מצמחים. משאב זה גם מציע דרך יעילה וחסכונית מאוד להמרת אנרגיה מתאים הסולאריים לדלקים 2. מלבד לספק דלק ביו מבוסס, ביומסה במפעל גם מציעה הזדמנויות ייחודיות למוצרים חלופיים, כוללים פלסטיק, חומרי ניקוי וכימיקלים יקרי ערך.
קיר צמח התא, אשר מורכב בעיקר של פולימרים מבוססי סוכר, Makes את העיקר העיקרי של ביומסה במפעל והרבה מאמץ בימים אלה מושקע בגיור שלה יעיל לbioethanol. ביומסה הנותרת רשאים לאחר מכן תעובד לתוך יוגז ומוצרי נפט הקשורות 3. חלק גדול מהמינים הרב שנתי הצמח, כוללים עשבים ועצים, המייצרים כמויות גדולות של ביומסה תאית בדרך כלל לגדול ביותר באזורים הממוזגים. עם זאת, כ 20% מהשטח הוא צחיח למחצה, ולכן הוא גם נוטה לבצורות 4. ברור, זה יהיה עניין גם לעבד את האדמה הצחיחה אלה עם צמחים שיעילות יכולה לתרום לייצור בר קיימא של אנרגיה וחומר. צמחים אלה צריכים להיות יעילות שימוש במים אופטימלי והתנגדות בצורת ויכלול את עץ הטבק (Nicotiana glauca) ומינים מהסוג אגבה.
קונסורציום MultiBioPro שואף ליישם צינור biorefinery משולב, תוך שימוש בשני CR החשובמיני אופ, צפצפה ועץ טבק. צפצפה התפתחה כיבול דלק ביולוגי מבטיח כפי שהוא גדל במהירות, בקלות מופצות על clonally וישימה מאוד למגוון רחב של תנאי אקלים וקרקע. הוא גם מספק מגוון רחב של עץ, סיבים, עץ דלק, ומוצרי יער אחרים 5. עץ הטבק התפתחה גם כצמח מתאים למטרות דלק ביולוגיים וbiorefinery. זה בדרך כלל מייצר כמויות ניכרות של ביומסה, מכיל כמויות גבוהות של פחמימות nonstructural 6, וגם יש לו את היכולת נדירה לצבור כמויות גדולות של שמנים שניתן להפיק בקלות nonfood (כוללים שרשרת ארוכה C 29-C 31 בפחמימנים וtriterpenoids רוויים) שמתאימות לביודיזל ייצור. עץ הטבק הוא, יתר על כן, ניתנים לשיפור גנטי, יש לו יכולת נביטה גבוהה, וגדל בשמחה על קרקעות צחיחות למחצה אינו משמשות לייצור מזון. נראה אפוא כי לשתי צפצפה ועץ טבק פוטנציאל מהותי לmultipגידולי urpose, כלומר כחומר זינת ערך גבוה חדש לתעשייה ביו מבוסס אינטגרטיבית. במאמר זה אנו מתמקדים בקבוצה מגוונת של גישות להבחין פחמימנים שרשרת כמה זמן פיקדונות עץ טבק.
בניסיון לזהות את המנגנון המולקולרי שבבסיס אחראי על הייצור והפרשה של פחמימנים הרוויים ארוכת שרשרת עליי טבק, אנחנו מיישמים "omics" המודרני מבוסס טכנולוגיות. זה כולל seq RNA של סדרה התפתחותית עלה (עשרה שלבים), ופרופיל המטבוליט מרובה גישות באמצעות LC-וGC-MS (למטבוליטים וlipidomics קוטב פולריים). נתונים אלה ישמשו לשלי לביטוי גנים שעולה בקנה אחד עם, או מקדים, את התחלתה של ביוסינתזה של המולקולות שצוינו לעיל. הגנים ומסלולים המופיעים מבטיח ממאמצים אלה ישמשו לבדיקות פונקציונליות בארבידופסיס מיני מודל וסופו של דבר יכולים להיות נוח להנדסה ביוטכנולוגית בTobעץ עכו.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקולים שהוצגו כאן לספק מסגרת מקיפה לניתוח עלים עץ טבק למטבוליטים ותמלילים. זה שחזה כי מאמצים המשולבים אלה צריכים לספק לנו תובנות חדשות על התהליכים שבבסיס הסינתזה והחול של פחמימנים ותרכובות הערך גבוהות הנוכחים ברקמה זו. גישות אלו ולכן צריכה לתת לנו הבנה טובה יותר לאופן שבו התרכובות נמצאים מסונתזים. בנוסף להיבטי עץ הטבק של העבודה, הוא גם נועד לשפר ביומסה צפצפה, במיוחד מיקוד lignification של קיר מבנה משני, אלא גם כדי לחקור האם אנו יכולים להשתמש בקליפה להפקת תרכובות יקרות ערך.
השיטות שהוצגו במאמר זה הן שינויים קלים בשיטות סטנדרטיות לפרופיל המטבוליט. שיטות אלה הן כמובן מוגבלות לפרופילים מטבולים ידועים, וזה אפשרי שהיו יכולים להתקבל כמה פסגות חילוף חומרים חדשות עבור which ידוע אין מתחם. אנו מקווים לשים את התרכובות הללו בהקשר למטבוליטים אחרים על ידי שילוב של התנהגותם של מטבוליטים ותמלילים על הסדרה התפתחותית הזמן.
אף אחת מהשיטות שהוצגו כאן הם השתנו באופן משמעותי משיטות משמשות בדרך כלל לחומרים צמחיים. ההיבט המעניין טמון בשילוב של שיטות כדי להבין את המסגרת הבסיסית לייצור בעיקר ארוך פחמימנים שרשרת ושינוי בעץ העלים טבק. אחד הצעדים הקריטיים לקבלת מידע זה הוא השילוב הבא של סוגי נתונים השונים. אנחנו מדמיינים שאת הנתונים כהערכה ראשונה יחולקו לאשכולות שונים המבוססים על ההתנהגות של מטבוליטים / תעתיקים על הפיתוח ושנתונים אלה ישמשו להסיק תמליל לעומת התנהגויות המטבוליט, וגם פוטנציאל ללהקצות מטבוליטים מסוימים למסלולים . בנוסף, ניתוחים מבוססי רשת משוכללות יותר אז הם חזו לאo לנצל קשרים סיבתיים.
פרוטוקולי האנליטיות שהוצגו כאן גם יספק בסיס לניסויי שדה וניצול תעשייתי של ביומסה. כדי להשיג זאת, קונסורציום MultiBioPro מכיל כמה שותפים תעשייתיים שיש את היכולות כדי להמשיך לחקור ביומסה, במטרה לספק ביו דיזל, bioethanol ותרכובות בעלי ערך גבוה אחרות. הניצול ביומסה סוגים אלה ייבחנו על בסיס; (1) בדיקות החוסן ואיכות של המוצרים ביו מיוצרים (בדיקות תקן התעשייה טיפוסיות תבוצענה כדי לוודא שיש המוצרים שנוצרו ערך שוק טוב), (2), הערכה כלכלית, חברתית וסביבתית של הטכנולוגיות תבוצע שימוש במקורות ספרות, ראיונות וחומר שנוצר במהלך ניסויים שדה והערכות biorefinery מפעל פיילוט. פעילויות אלה יכללו עלות תועלת וניתוח מחזור החיים, הדור של תיק וbusine ושוק סביבתיאסטרטגיות ss. אנו מאמינים כי צינור זה יהיה שילוב שימושי של אקדמיה, מדע יישומים וניצול תעשייתי לביומסה עץ צפצפה וטבק נוספת למוצרים סופיים לצרכן.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MultiBioPro רוצה להודות לאנשים הבאים שגם תורמים לפרויקט: דומיניק סווינטון (דלקים ירוקים), תומאס אפלולי (דלקים ירוקים), סם Buekenhout (Capax), וסילביה Drouven (Capax).
Materials
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Trizol reagent | Invitrogen | 15596-026 | |
| Chloroform | Merck | 102445 | |
| Ethanol | Merck | 101986 | |
| Rneasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | |
| TURBO Dnase | Invitrogen | AM2238 | |
| RNA 6000 Nano Kit | Agilent | G2938-90034 | |
| 2100 Electrophoresis Bioanalyzer | Agilent | G2939AA | |
| 1.5 ml and 2 ml safe-lock tubes | Eppendorf | 0030 120.086, 0030 120.094 | |
| Steel balls | Geyer Berlin GmbH | VA2mm | |
| Mixer mill MM 300 | Retsch | YO-04182-09 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5424 |
References
- Clark, J. H., et al. chemistry, biofuels, and biorefinery. Annu Rev Chem Biomol Eng. 3, 183-207 (2012).
- Carroll, A., Somerville, C. Cellulosic biofuels. Annu Rev Plant Biol. 60, 165-182 (1146).
- Vanholme, B., et al. Towards a carbon-negative sustainable bio-economy. Front Plant Sci. 4, (2013).
- . United Nations Environment Programme (UNEP). Global Environment Outlook: Environment for Development. 4, (2007).
- Boerjan, W. Biotechnology and the domestication of forest trees. Curr Opin Biotechnol. 16 (2), 159-166 (2005).
- Curt, M. D., Fernández, J. Production of Nicotiana glauca R.C. Graham aerial biomass in relation to irrigation regime. Biomass. 23 (2), 103-115 (1990).
- De Vos, R. C. H., et al. Untargeted large-scale plant metabolomics using liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Nat Protoc. 2 (4), 778-791 (2007).
- Smith, C. A., et al. XCMS: Processing mass spectrometry data for metabolite profiling using Nonlinear peak alignment, matching, and identification. Anal Chem. 78 (3), 779-787 (2006).
- Morreel, K., et al. Mass spectrometry-based fragmentation as an identification tool in lignomics. Anal Chem. 82 (19), 8095-8105 (2010).
- Morreel, K., et al. Mass spectrometry-based sequencing of lignin oligomers. Plant Physiol. 153 (4), 1464-1478 (1104).
- Tohge, T., Fernie, A. R. Web-based resources for mass-spectrometry-based metabolomics: A user’s guide. Phytochemistry. 70 (4), 450-456 (2009).
- Tohge, T., Fernie, A. R. Combining genetic diversity, informatics and metabolomics to facilitate annotation of plant gene function. Nat Protoc. 5 (6), 1210-1227 (2010).
- Mortimer, C. L., et al. The identification and rapid extraction of hydrocarbons from Nicotiana glauca: a potential advanced renewable biofuel source. Phytochem Lett. 5 (3), 455-458 (2012).
- Fraser, P. D., et al. Application of high-performance liquid chromatography with photodiode array detection to the metabolic profiling of plant isoprenoids. Plant J. 24 (4), 551-558 (2000).
- Lisec, J., et al. Gas chromatography mass spectrometry-based metabolite profiling in plants. Nat Protoc. 1 (1), 387-396 (2006).
