木质素是植物细胞壁的一种组分，它的存在使得植物生物质非常难以被消解。美国布鲁克海文国家实验室的科学家发现一种酶可以对木质素合成前体进行“掩饰”，当这种酶在植物中表达时，实际上减少了细胞壁中木质素的含量，从而使得细胞壁生物质的可消化性提高，这有可能使植物生物质更易于转变为生物燃料。
经过基因改造的植物在生物量上没有显著变化，但是木质素含量显著降低了。
（上：对照植物与转基因植物。下：对照植物木质素含量与转基因植物木质素含量）
完成这项研究的科学家Chang-Jun Liu表示对研究结果非常高兴，因为这项研究不仅深化了对木质素前体整合至细胞壁的分子机制的理解，并且为提高植物生物质的可消解性上提供了生物技术解决方案。
木质素是一种非常难以处理的芳香族多聚物，植物细胞壁的组成部分。由于木质素的存在，使得酶类很难消化纤维素纤维生成可利用的燃料。当前，在工业处理方式中需要对细胞壁生物质进行预处理以去除木质素，这显著增加了生物燃料的生产成本。将这种新的酶整合至植物中可以从根本上降低生物燃料的生产成本。
在2009年，Chang-Jun Liu和他的同事们对一种在植物中天然存在的酶进行修饰改造。他们发现对该酶的编码基因上两个关键氨基酸密码子进行突变后，新产生的酶可以对木质素前体进行修饰，阻止木质素前体结合形成木质素聚合物。
不过，当他们在拟南芥（一种在生物实验中常用的模式植物）进行实验时，却发现没有效果。“我们发现这种酶没有表现出预期的效果，”Liu说道。“这种方法在实验室有效，在植物中却没有效果。”研究团队又重新开始，对这种酶的X射线晶体结构进行了检测。最终他们发现了例外的一些氨基酸突变，能够对植物形成显著的效果。
携带这种经过设计抑制细胞壁中木质素组分的酶的转基因植物与非转基因植物没有显著差别，不过在它们的茎杆中木质化组分确实减少了。与高木质素含量的植物相比，这种低木质素的植物更容易被消解转化为生物燃料。这种经过改造的酶可以将拟南芥中的木质素含量减少24%，从而使细胞壁糖类的产量提高21%。此外，该酶的应用并不抑制植物的生长或显著减少生物量。
下一步，这些科学家计划在白杨树或其他美国能源部指定的能源作物中对这种酶的功能进行试验，看是否能够通过减少木质素来提高这些植物的细胞壁生物质可消化性。由于生长速度快，生物量大，白杨木是用作生物燃料的一个很好的选择。此外，这个研究团队还计划继续对他们的酶进行修饰，以在细胞壁中减少木质素的两种主要亚基邻甲氧苯基(guaiacyl)和紫丁香基(syringyl)。这两种基团可改变木质素的结构，对其进行处理后可进一步提高细胞壁的可消解性和/或减少再木质化过程。“我们的酶目前可不加选择地修饰木质素前体。因而在植物中它可以有效地减少木质素总量而不改变木质素组成，”Liu解释说。“如果结果理想，我们将开发另外的酶，可以让我们精确调节木质素组分或者是改变木质素的结构。”
在成功地控制了植物中木质素的合成后，这些科学家还希望能与其他专家一起评估这些转基因作物的农业特征，并开发以这类转基因生物质作为生物燃料原料的商业潜力。
An Engineered Monolignol 4-O-Methyltransferase Depresses Lignin Biosynthesis and Confers Novel Metabolic Capability in Arabidopsis
Kewei Zhang, Mohammad-Wadud Bhuiyaa,, Jorge Rencoret Pazo, Yuchen Miao, Hoon Kim, John Ralph and Chang-Jun Liu
Although the practice of protein engineering is industrially fruitful in creating biocatalysts and therapeutic proteins, applications of analogous techniques in the field of plant metabolic engineering are still in their infancy. Lignins are aromatic natural polymers derived from the oxidative polymerization of primarily three different hydroxycinnamyl alcohols, the monolignols. Polymerization of lignin starts with the oxidation of monolignols, followed by endwise cross-coupling of (radicals of) a monolignol and the growing oligomer/polymer. The para-hydroxyl of each monolignol is crucial for radical generation and subsequent coupling. Here, we describe the structure-function analysis and catalytic improvement of an artificial monolignol 4-O-methyltransferase created by iterative saturation mutagenesis and its use in modulating lignin and phenylpropanoid biosynthesis. We show that expressing the created enzyme in planta, thus etherifying the para-hydroxyls of lignin monomeric precursors, denies the derived monolignols any participation in the subsequent coupling process, substantially reducing lignification and, ultimately, lignin content. Concomitantly, the transgenic plants accumulated de novo synthesized 4-O-methylated soluble phenolics and wall-bound esters. The lower lignin levels of transgenic plants resulted in higher saccharification yields. Our study, through a structure-based protein engineering approach, offers a novel strategy for modulating phenylpropanoid/lignin biosynthesis to improve cell wall digestibility and diversify the repertories of biologically active compounds.
