Ученые отредактировали гены деревьев, чтобы их проще было превратить в бумагу: биоинженерия будущего
Лигнин — это природный полимер, содержащийся в ветвях и стеблях растений, который удерживает волокна вместе и, по существу, делает их более жесткими и прочными. Хотя это важно для здоровья растения при жизни, лигнин необходимо удалить, приложив большие усилия, чтобы «расклеить» волокна и сделать из дерева бумагу и другие продукты.
Поэтому ученые экспериментировали с выращиванием растений с меньшим содержанием лигнина. Проблема в том, что генетика деревьев сложнее, чем вы могли бы ожидать, и при традиционной селекции по определенным признакам могут потребоваться годы, чтобы увидеть результаты каждого эксперимента. Методы редактирования генов CRISPR могут значительно ускорить этот процесс.
В рамках нового исследования команда штата Северная Каролина экспериментировала с CRISPR, чтобы снизить уровень лигнина в деревьях тополя и увеличить соотношение углеводов к лигнину (C/L) и сирингила к гваяцилу (S/G) — двух молекул, которые составляют лигнин. Эти свойства в правильном сочетании — на 35 % меньше лигнина, чем у диких деревьев и соотношения C/L и S/G на 200 % выше, чем у диких деревьев, — стали бы золотой серединой в производстве бумаги.
Чтобы достичь этой цели, команда использовала модели машинного обучения для прогнозирования и сортировки почти 70 000 стратегий редактирования генов, нацеленных на 21 ген, важный для производства лигнина. Список был сужен до 347 стратегий, из которых исследователи выбрали семь наиболее перспективных.
Затем ученые воспользовались CRISPR для генетической инженерии 174 линий тополей, после чего выращивали образцы в теплице в течение шести месяцев. Многие сорта достигли и даже превзошли золотую середину: у некоторых уровень лигнина был снижен на целых 50%, в то время как у других соотношение C/L увеличилось на 228%.
Команда сказала, что наилучшие результаты были получены от стратегий, которые включали редактирование от четырех до шести генов, хотя даже трех было достаточно, чтобы добиться приличного снижения лигнина на 32%. Ученые обнаружили, что редактирования всего одного гена при этом недостаточно, чтобы оказать какое-либо влияние.
Далее команда смоделировала, насколько более устойчивым может быть производство целлюлозы из этих CRISPR-деревьев. Исследователи обнаружили, что сокращение содержания лигнина может помочь фабрикам производить на 40% больше волокна более экологичным способом и сократить выбросы парниковых газов в процессе до 20%.
В будущих исследованиях команда планирует продолжить выращивание отредактированных тополей, чтобы увидеть, насколько хорошо они выживают по сравнению с деревьями дикого типа, и испытать их на открытом воздухе.