Method Article
تقدم الكتلة الحيوية النباتية مورد متجدد للمنتجات متعددة، بما في ذلك الوقود والأعلاف والمواد الغذائية ومجموعة متنوعة من المواد. في هذه الورقة نحن التحقيق في خصائص شجرة التبغ (النيكوتين glauca) والحور المصادر المناسبة كما لخط أنابيب معامل تكرير أحيائية.
الطلب العالمي على الغذاء والأعلاف والطاقة والمياه تطرح تحديات غير عادية للأجيال القادمة. فمن الواضح أن منصات قوية لاستكشاف الموارد المتجددة ضرورية للتغلب على هذه التحديات. في إطار المتعددة الجنسيات MultiBioPro نحن نعمل على تطوير خطوط الأنابيب معامل تكرير أحيائية لتحقيق الاستفادة القصوى من الكتلة الحيوية النباتية. وبشكل أكثر تحديدا، ونحن نستخدم الحور وشجرة التبغ (النيكوتين glauca) كأنواع المحاصيل المستهدفة لتحسين تسكر، isoprenoid، محتويات سلسلة طويلة الهيدروكربونية، ونوعية الألياف، وسوبيرين واللجنين المحتويات. الطرق المستخدمة للحصول على هذه النتائج تشمل GC-MS، LC-MS ومنصات تسلسل الحمض النووي الريبي. يتم إنشاء خطوط أنابيب الأيض بشكل جيد أدوات لتوليد هذه الأنواع من البيانات، ولكن أيضا لديها قيود في هذا الأيض فقط تتميز كذلك يمكن استخدامها. فإن التسلسل العميق تسمح لنا ليشمل جميع النصوص الحالية خلال المراحل التنموية للأوراق شجرة التبغ، ولكن حكما ليتم تعيينها إلى تسلسل نيكوتيانا تبغ. مع هذه المنبثقة مجموعة، ونحن نهدف إلى فهم أساسي للعمليات الأساسية وعلى إنشاء إطار الصناعية لاستغلال النتائج. في منظور أكثر على المدى الطويل، ونحن نعتقد أن البيانات التي تم إنشاؤها هنا سوف توفر وسيلة لعملية معامل تكرير أحيائية المستدامة باستخدام شجرة الحور والتبغ كمادة خام. حتى الآن على المستوى القاعدي من نواتج الأيض في عينات تم تحليلها ويتم توفير البروتوكولات المستخدمة في هذه المقالة.
تسببت السكان والنمو الاقتصادي والطلب المتزايد على الغذاء والماء والوقود. ويتم إنتاج الكثير من هذه الإمدادات ومعالجتها ونقلها باستخدام وسائل محدودة على أساس الأحفوري، مثل النفط. هو عليه، ومع ذلك، من الواضح أن هذه الممارسة ليست مستدامة، وبالتالي فإن تطوير موارد بديلة تكون ذات أهمية كبيرة 1. العديد من الموارد المتجددة، بدرجات متفاوتة، ويجري استغلالها حاليا، بما في ذلك الرياح وحركة المياه، والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية، وموجة مصادر الطاقة القائمة. المستدامة للموارد غير مستغلة إلى حد كبير وآخر هو الكتلة الحيوية من النباتات. كما يقدم هذا المورد على طريقة فعالة من حيث التكلفة للغاية لتحويل الطاقة الشمسية إلى وقود مشتق 2. وبصرف النظر عن تقديم الوقود الحيوي القائم، والكتلة الحيوية النباتية كما يقدم فرصا فريدة للمنتجات البديلة، بما في ذلك المواد البلاستيكية والمنظفات، والمواد الكيميائية ذات قيمة.
جدار الخلية النباتية، والتي تتألف في معظمها من البوليمرات السكر مقرها، ماكوفاق يصل الجزء الأكبر من الكتلة الحيوية للنبات، ويجري حاليا استثمرت الكثير من الجهد في تحويل كفاءة لها في الإيثانول. قد احقا معالجة الكتلة الحيوية المتبقية في الغاز الحيوي والمنتجات النفطية ذات الصلة 3. الكثير من الأنواع النباتية المعمرة، بما في ذلك الأعشاب والأشجار، والتي تنتج كميات كبيرة من الكتلة الحيوية السليلوزية عادة تنمو أفضل في المناطق المعتدلة. ومع ذلك، ما يقرب من 20٪ من مساحة الأراضي شبه القاحلة، وبالتالي فهي عرضة لموجات الجفاف 4 أيضا. من الواضح، أنه سيكون من مصلحة لزراعة هذه الأراضي القاحلة أيضا مع النباتات التي يمكن أن تسهم بشكل فعال في الإنتاج المستدام للطاقة والمواد. هذه النباتات تحتاج إلى أن يكون هناك الأمثل كفاءة استخدام المياه ومقاومة الجفاف وستشمل شجرة التبغ (النيكوتين glauca) والأنواع من جنس الصبار.
يهدف الكونسورتيوم MultiBioPro لتنفيذ خط أنابيب معامل تكرير أحيائية المتكاملة، وذلك باستخدام اثنين من كر هامةأنواع الذكر، وشجرة الحور التبغ. وقد برزت الحور كمحصول الوقود الحيوي واعدة لأنها تنمو بسرعة وسهولة نشر clonally وقابلة للتكيف للغاية لمجموعة واسعة من الظروف المناخية والتربة. كما يوفر مجموعة واسعة من الخشب والألياف والخشب الوقود، ومنتجات الغابات الأخرى 5. وقد برزت أيضا شجرة التبغ باعتبارها محطة مناسبة لأغراض الوقود الحيوي ومعامل تكرير أحيائية. وتنتج عادة كميات كبيرة من الكتلة الحيوية، ويحتوي على كميات عالية من الكربوهيدرات ابنيوي 6، وأيضا لديه القدرة النادرة لتراكم كميات كبيرة من الزيوت غير غذائية استخراجها بسهولة (بما في ذلك سلسلة طويلة C 29-C 31 الهيدروكربونات المشبعة واستخلص) التي هي مناسبة لانتاج الديزل الحيوي الإنتاج. شجرة التبغ، علاوة على ذلك، قابلة للتحسين الوراثي، لديه قدرة عالية تنتشر، وينمو في التربة بسعادة شبه القاحلة لا تستخدم لإنتاج الغذاء. وبالتالي يبدو أن كلا من الحور وشجرة التبغ لديها القدرة الذاتية للmultipالمحاصيل urpose، أي كمادة وسيطة جديدة ذات قيمة عالية لصناعة الحيوي القائم تكاملية. في هذه الورقة ونحن نركز على مجموعة متنوعة من النهج لتمييز سلسلة الهيدروكربونات كيف الودائع شجرة التبغ طويلة.
في محاولة لتحديد الآليات الجزيئية الكامنة المسؤولة عن إنتاج وإفراز المواد الهيدروكربونية المشبعة طويلة السلسلة على أوراق التبغ، ونحن نطبق "OMICS" الحديثة التكنولوجيات القائمة. وهذا يشمل يليها RNA من سلسلة أوراق التنموية (عشرة مراحل)، ونهج التنميط المستقلب المتعدد باستخدام LC-GC-MS و(لنواتج الأيض وlipidomics القطبية وغير القطبية). وسوف تستخدم هذه البيانات لإزالة الألغام للتعبير الجين الذي يرتبط، أو تسبق، بداية من الحيوي للجزيئات هو مبين أعلاه. وسيتم استخدام الجينات والممرات التي تبدو واعدة من هذه المساعي لاختبار وظيفي في نبات الأرابيدوبسيس الأنواع النموذجية ويمكن أن يكون في نهاية المطاف قابلة للهندسة التكنولوجيا الحيوية في طوبشجرة ACCO.
1. المواد النباتية
تنمو النباتات في نيكوتيانا glauca الأواني 30 سم القطر تحتوي على M2 المهنية المتوسطة المتنامية. تنمو النباتات في البيوت الزجاجية، مع درجة حرارة النهار من 20-25 درجة مئوية، ودرجة حرارة ليلية من 15 درجة مئوية. استخدام ضوء 16 ساعة ودورة الظلام 8 ساعة كما ضوء النظام التكميلي.
2. إعداد نموذج
3. بروتوكول لاستخراج المستقلب التنميط لالمستقلبات الابتدائية بواسطة GC-MS
4. استخراج لالمستقلب التنميط للالمركبات الثانوية التي كتبها LC-MS
5. تحليل البيانات
6. الهيدروكربونية استخراج 13
7. تحليل Isoprenoids 14
الطبقة = "jove_title"> 8. استخراج الحمض النووي الريبي RNA تسلسل ل
هذا البروتوكول يجمع Trizol استخراج الحمض النووي الريبي مع مجموعة RNeasy للحصول على الحمض النووي الريبي جودة عالية.
الملف الشخصى HPLC في الشكل 1 يبين نتيجة ممثل تحليل isoprenoid من N. مقتطفات ورقة glauca. تم الكشف عن isoprenoids مختلفة من C40 وأعلاه باستخدام صفيف ديود صور (PDA) كاشف. تم المشروح قمم على أساس التعاون اللوني والمقارنة بين المعايير الطيفية أصيلة، بيتا كاروتين (طليعة الفيتامين A)، phytoene، الليكوبين، وتين وزياكسانثين. والاستشرابية MS اثنين في الشكل 2 تظهر نتيجة تحليل المستقلب الرئيسي من N. ورقة glauca والمواد الجذعية، على التوالي. يظهر يعطى أيضا الطيف MS من ذروة الموافق سيرين (المشار إليها بواسطة السهم) كمثال. الشكل 3 Bioanalyzer تستخدم لتحديد نوعية الحمض النووي الريبي وإخراج ممثل من الجهاز. قمم الرئيسيان في اللوني الموافق 18 S و 25 S الريباسي الحمض النووي الريبي، مشيرا إلى الحمض النووي الريبي سليمة في العينة. قمم إضافية من ضلع مجزأةويبدو osomal الحمض النووي الريبي في حالة الحمض النووي الريبي المتدهورة جزئيا أو بشكل كبير.
الشكل 1. الشخصى HPLC تظهر isoprenoids موجودة في مقتطفات من ورقة N. glauca. معظم isoprenoids من C40 وأعلاه ليست قابلة للتحليل GC-MS. لذا كنا فصل HPLC مع الكشف عن مجموعة الضوئي. ويرد اللوني نموذجية سجلت في 450 نانومتر. أصباغ الكاروتين هي نموذجية من الأنسجة الضوئي مع غلبة اللوتين. الحاضر أيضا وزياكسانثين، والتي نادرا ما وجدت في الأنسجة ورقة إلا إذا وضعت تحت الضغط ضوء ارتفاع. مستويات زياكسانثين جعله مصدرا جيدا لهذا المركب عالية القيمة. الرجاء انقر هنا لعرض أكبر الخامسersion من هذا الرقم.
الشكل 2. اللوني وMS الطيف من N. ويرد glauca مقتطفات الأنسجة. إجمالي أيون MS اللوني (TIC) من ورقة ووقف مقتطفات تقاس GC-MS (70-600 م / ض). تم إجراء تحليل GC-MS كما هو موضح سابقا في 15. تم الكشف عن المشروح قمم باستخدام مكتبة علامات الطيفية الشامل. ويرد MS الطيف من سيرين (2TMS) كمثال. MS اللوني: محور X ومحور Y تشير الوقت الاحتفاظ (دقيقة) وكثافة (وفرة) للإشارة، MS الطيف: محور X ومحور Y تشير إلى نسب M / Z وكثافة (وفرة) للإشارة، على التوالي. انقر هنا لعرض أكبرالصورة.
الرقم 3. قياس Bioanalyzer من الحمض النووي الريبي التي أعدت ليليها من الحمض النووي الريبي N. المواد ورقة glauca. للحصول على الحمض النووي الريبي نقية للغاية اللازمة ليليها RNA نحن استخراج الحمض النووي الريبي باستخدام Trizol كاشف وتنقيته من الحمض النووي الريبي باستخدام أعمدة من عدة RNeasy البسيطة (في Qiagen، هيلدن، ألمانيا) في وقت لاحق. نحن مصممون على نوعية الحمض النووي الريبي باستخدام Bioanalyzer (اجيلنت، Waldbronn، ألمانيا) المعروضة على اليسار. ويرد مثال على الناتج Bioanalyzer على اليمين. قمم الرئيسيان في العينة تمثل 18 S و 25 S الريباسي الحمض النووي الريبي. وأظهرت عينة الحمض النووي الريبي لدينا عدد النزاهة (رين) من 9.2، وهو أعلى بكثير من القيمة المطلوبة من 8. اضغط لهاالبريد لمشاهدتها بشكل اكبر.
البروتوكولات المعروضة هنا توفر إطارا شاملا لتحليل أوراق شجرة التبغ لنواتج الأيض والنصوص. ومن المتوقع أن هذه الجهود مجتمعة أن تقدم لنا رؤى جديدة في العمليات التي يستند إليها التوليف وقذف من الهيدروكربونات والمركبات عالية القيمة موجودة في هذا النسيج. لذا ينبغي لهذه النهج تعطينا فهما أفضل لكيفية يتم توليفها المركبات. بالإضافة إلى الجوانب شجرة التبغ من العمل، ويهدف أيضا إلى تحسين الكتلة الحيوية الحور، وخاصة استهداف lignification هيكل الجدار الثانوي، ولكن أيضا لاستكشاف ما إذا كنا نستطيع استخدام لحاء لاستخراج المركبات قيمة.
الطرق الواردة في هذه الورقة هي تعديلات طفيفة من أساليب موحدة لالتنميط المستقلب. هذه الأساليب هي محدودة بطبيعة الحال لمحات التمثيل الغذائي المعروفة، وأنه من الممكن أن عدة قمم جديدة الأيضية يمكن الحصول على لثhich لا يعرف المجمع. نأمل أن وضع هذه المركبات في السياق إلى نواتج أخرى من خلال الجمع بين سلوك الأيض والنصوص على مدى سلسلة زمنية التنموية.
أيا من الأساليب المعروضة هنا يتم تغيير ملحوظ من الطرق التي تستخدم عادة لمواد النبات. الجانب المثير يكمن في مزيج من الأساليب لفهم الإطار الأساسي لإنتاج سلسلة طويلة الهيدروكربونية أساسا والتعديل في أوراق شجرة التبغ. واحدة من الخطوات الحاسمة للحصول على هذه المعلومات هي مزيج لاحقة من أنواع بيانات مختلفة. نحن نتصور أنه سيتم تقسيم البيانات على التقييم الأول إلى مجموعات مختلفة على أساس سلوك الأيض / النصوص على التنمية والتي سيتم استخدامها هذه البيانات للاستدلال نص مقابل السلوكيات الأيض، وأيضا يحتمل أن تكون لتعيين بعض نواتج الأيض لمسارات . بالإضافة إلى ذلك، يتم التحليلات المستندة إلى شبكة أكثر تفصيلا ثم تصور رس استغلال العلاقات السببية.
سوف البروتوكولات التحليلية المقدمة هنا أيضا توفير أساس للالتجارب الميدانية والاستغلال الصناعي من الكتلة الحيوية. لإنجاز هذا، وكونسورتيوم MultiBioPro يحتوي على العديد من الشركاء الصناعيين التي لديها القدرة على مواصلة استكشاف الكتلة الحيوية، وذلك بهدف توفير وقود الديزل الحيوي، الإيثانول والمركبات عالية القيمة الأخرى. وسيتم تقييم هذه الأنواع من استغلال الكتلة الحيوية على أساس؛ (1) اختبار متانة وجودة المنتجات الحيوية المنتجة (سيتم تنفيذ اختبارات نموذجية معيار الصناعة خارج لضمان المنتجات المولدة لها قيمة جيدة في السوق)، (2)، سيتم تنفيذ تقييم الاقتصادية والاجتماعية والبيئية للتكنولوجيات باستخدام مصادر الأدب والمقابلات والمواد التي يتم إنشاؤها أثناء التجارب الميدانية وتقييم معامل تكرير أحيائية محطة تجريبية. وسوف تشمل هذه الأنشطة التكاليف والفوائد وتحليل دورة الحياة، وجيل من ملف البيئة والسوق وفي busineاستراتيجيات ق ق. ونحن نعتقد أن هذا الخط سوف تصبح مزيجا مفيدا من الأوساط الأكاديمية، والعلوم التطبيقية والاستغلال الصناعي للمزيد من الحور والتبغ الكتلة الحيوية شجرة للمنتجات المستهلك النهائي.
تلقت البحوث التي تؤدي إلى هذه النتائج على تمويل من البرنامج الإطاري السابع الأوروبية ([FP7/2007-2013]) بموجب اتفاقية منحة رقم 311804.
سوف MultiBioPro أود أن أشكر الشعب التالية التي تساهم أيضا في المشروع: دومينيك سوينتون (الوقود الأخضر)، وتوماس لوري (الوقود الأخضر)، وسام Buekenhout (Capax)، وسيلفيا Drouven (Capax).
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 |
A correction was made to: Transcript and Metabolite Profiling for the Evaluation of Tobacco Tree and Poplar as Feedstock for the Bio-based Industry.
There was a spelling error in one of the authors' surname. The author's name was corrected from:
Juan Pedro Navarro
to:
Juan Navarro-Aviñó
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved