Одно из наиболее эффективных решений в борьбе с изменением климата может быть найдено на вашем заднем дворе. Деревья необходимы для удаления углекислого газа из воздуха и одновременного выделения кислорода. По оценкам, взрослое дерево поглощает более 48 фунтов углекислого газа в атмосфере в год, однако возможности для улучшения ситуации еще есть. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, междисциплинарная группа химиков, инженеров и экологов оптимизирует способы, с помощью которых деревья могут способствовать созданию устойчивого будущего.
Для этого они изучают генетическую структуру деревьев. "Я не думаю, что широкая общественность в полной мере осознает или оценивает то влияние, которое деревья оказывают на наше общество и на снижение выбросов углекислого газа. Понимание генетики этого важнейшего ресурса очень важно, особенно для производства волокон, которые играют важную роль в нашей экономике", - говорит Дэниел Сулис, постдокторский ученый из Университета штата Северная Каролина и ведущий автор исследования.
Сулис и его коллеги предприняли первую успешную попытку использовать редактирование генов для оптимизации процесса производства древесного волокна. Авторы изменили генетику тополя, уменьшив количество лигнина - органического компонента, который служит основой для придания дереву жесткой древесной структуры. Уменьшение количества этого жесткого структурного материала, вырабатываемого деревьями, позволяет сократить время производства бумаги и, соответственно, уменьшить загрязнение окружающей среды.
"Мы изучаем лигнин уже несколько десятилетий, но сложность этих полимеров внутри древесины не позволяет модифицировать их таким образом, чтобы они были совместимы с производственными процессами", - говорит Джек Ванг, доцент Колледжа природных ресурсов Университета штата Северная Каролина и один из авторов исследования.
Для создания возобновляемых бумажных тканей и другой продукции лигнин, содержащийся в древесине, необходимо разрезать и растворять с помощью опасных химических веществ. Это энергоемкий процесс, и при сжигании лигнина выделяется углекислый газ, который может способствовать выбросам в атмосферу.
В данном исследовании команда использовала CRISPR - молекулярные ножницы, которые разрезают и модифицируют определенные сегменты ДНК - для снижения уровня лигнина и увеличения количества углеводов. Углеводы, такие как целлюлоза, желательны, поскольку именно из них изготавливается бумажная продукция.
С помощью прогнозирующих моделей машинного обучения авторы сократили 70 000 возможных стратегий редактирования генов и потенциальных мишеней до менее чем 350. Последующие эксперименты, в ходе которых выяснялось, какие из них позволят получить древесину, совместимую с производством волокна, привели авторов к выбору семи стратегий, почти все из которых были направлены более чем на один ген.
Их цель - создать деревья, содержащие на 35% меньше лигнина, чем те, которые встречаются в природе. Кроме того, они хотели, чтобы соотношение углеводов и лигнина было на 200% выше, чем у деревьев без редактирования. С помощью генного редактирования CRISPR они создали 174 различные линии тополей, которые выращивали в теплице в течение шести месяцев.
Модифицированные с помощью CRISPR деревья тополя (л) и дикорастущие деревья тополя растут в теплице Университета NC State. Ченмин Ян, Университет штата NCАнализ состава древесины деревьев через шесть месяцев показал, что в них меньше лигнина. В некоторых из них его было вдвое меньше, чем в обычном тополе. При этом содержание углеводов в лигнине увеличилось на 228%.
"Возможность точного контроля содержания лигнина позволяет использовать древесные волокна в производстве бумаги и улучшенной инженерной древесины", - говорит Лянбин Ху, директор Центра инновационных материалов при Мэрилендском институте энергетических инноваций, опубликовавший исследования по новым подходам к инженерии целлюлозы в древесине, но не принимавший участия в данном исследовании. "Например, производство целлюлозы из переработанной древесины с пониженным содержанием лигнина может принести существенную пользу в деле смягчения последствий изменения климата".
Анализ, проведенный группой специалистов, показал, что деревья тополя, отредактированные таким образом, чтобы содержать меньше лигнина, могут снизить углеродный след от производства волокна более чем на 20%. "Это оказалось технологией, которая не только благоприятно сказывается на устойчивости нашей экономики, но и в то же время создает решения для более экологичного производства этого материала", - добавляет Ванг.
Спрос на древесное волокно растет по мере того, как общество ищет более экологически чистые продукты, такие как возобновляемые салфетки, бумажные полотенца и текстиль. Генетически модифицированные деревья также могут давать больше продукции: Отдельный анализ, проведенный в рамках исследования, показал, что деревья с меньшим содержанием лигнина могут производить на 40% больше экологически чистого волокна.
Следующим шагом должно стать применение этой стратегии редактирования генов к другим лиственным породам, широко используемым в производстве бумаги, таким как ель и сосна. Поскольку механизм образования лигнина в древесине у разных пород деревьев практически одинаков, Ванг считает возможным опробовать эту методику на других видах деревьев. Другим направлением работы команды является высадка этих деревьев на огромных полях и наблюдение за тем, как эти деревья взаимодействуют с окружающей средой, измерение их поведения и самоподдержания.
Поскольку для производства волокна этим деревьям требуется длительный период созревания, то, по мнению Ванга, общество начнет их выращивать примерно к 2040 году. Кроме того, как показывают опасения, связанные с выпуском комаров, подвергшихся генной модификации, решающее значение будет иметь поддержка местных жителей. Для успешного и ответственного применения этой технологии, по его словам, "мы должны быть уверены, что все, что мы делаем, полностью соответствует не только правительственным нормам, но и общественному мнению и интересам промышленности".