Ученые планируют удвоить выход биотоплива из непродовольственной масличной культуры

Один из наиболее перспективных путей снижения зависимости от импорта нефти, сокращения выбросов парниковых газов и увеличения внутреннего производства топлива — это биотопливо из масел непродовольственных семян растений. Команда Университета Массачусетса в Амхерсте начала проект на $2 млн по развитию Camelina (рыжика), родственной рапсу непродовольственной масличной культуры, чтобы значительно увеличить генерацию масла для переработки в устойчивое жидкое транспортное топливо.

Растительные масла можно напрямую конвертировать в биотопливо существующими технологиями, они совместимы с текущей сельскохозяйственной практикой и углеродно-нейтральны. Как говорит руководитель проекта биохимик Дэнни Шнелл: «Наши цели — удвоить текущий максимальный выход семян и топлива из Camelina, используя менее 1 миллиона акров для достижения целевого показателя коммерческой жизнеспособности в 100 миллионов галлонов в год». Camelina — привлекательный вид-кандидат, потому что растет на бедных почвах и не конкурирует с продовольственными культурами. Она также засухоустойчива, имеет короткий вегетационный период и требует мало удобрений.

Повышение выхода масличных семян для разработки коммерческого биотоплива потребует увеличения их относительно низкой урожайности. Команда, включающая экспертов по физиологии растений, микробному фотосинтезу и химии, планирует генетически модифицировать хлоропласты Camelina (где происходит фотосинтез), чтобы увеличить скорость захвата и фиксации углерода при фотосинтезе. Они также хотят сместить метаболизм растения в сторону производства меньше сахара и больше масла и терпенов — строительных блоков жидкого топлива.

«Мы сделаем это биохимически, следуя естественным путям растения, чтобы повысить эффективность и перенаправить энергию на производство большего количества масла, которое растение уже производит для питания своих семян», — говорит Шнелл. — «Мы надеемся увеличить долю масла в семенах с 40 до 80%, увеличить количество производимых семян или комбинацию обоих подходов».

Этот метаболический подход также поможет команде (молекулярному биологу Дженнифер Норманли, микробиологу Джеффу Бланшарду и физиологам растений Мишель Дакосте и Ому Паркашу) создать Camelina, производящую больше терпенов — химических веществ, подобных лимонному маслу, которые многие растения производят для отпугивания насекомых. Терпены представляют промышленный интерес как предшественники многих химикатов, от лекарств до пластиков.

Шнелл отмечает, что процесс фотосинтеза, который растения используют для фиксации углерода и производства сахара, довольно неэффективен, потому что фермент, регулирующий первый этап, рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (RuBisCo), фиксирует не только диоксид углерода (CO₂), но и кислород (O₂), что является «тупиковой реакцией». Стратегия команды — использовать системы, развитые фотосинтезирующими цианобактериями и водорослями для конкуренции с кислородом, и внедрить их в Camelina. Эти организмы могут накачивать CO₂ напрямую к RuBisCo, чтобы увеличить фиксацию углерода и генерацию биомассы.

Изменяя гены в хлоропластах Camelina, а не в ядре, исследователи избегут передачи генетических модификаций следующему поколению растений. «Изменения не передаются через пыльцу новым растениям, что устраняет риск генетического дрейфа», — поясняет Шнелл. — «Пыльца, производимая этими растениями, будет нормальной, а не генетически модифицированной». Работа будет проводиться в новых оранжереях Боудича при университете, которые могут изолировать трансгенные организмы.

Команда признает, что создает генетически модифицированный организм, но это самоопылитель, поэтому он не распространяет пыльцу широко для размножения. «Любая культура, которую мы произведем, пройдет очень строгое регулирующее одобрение со стороны EPA, FDA и USDA», — говорит Шнелл. — «В отличие от других генетических модификаций, изменяющих геном растения, наш метод просто усилит то, что растение уже делает. С метаболическими путями генетический дрейф не вызывает беспокойства».

В Фазе I двухфазного проекта команда надеется к середине 2013 года (в течение ближайших 18 месяцев) продемонстрировать работоспособность подхода и определить наиболее перспективные техники на примерно 500 растениях. «Мы вырастим несколько поколений и оценим эффективность фиксации углерода и производства в живых растениях, соберем семена и посмотрим, как они увеличивают фиксацию углерода. Если эти методы окажутся эффективными, их можно будет применить и к другим культурам», — говорит Шнелл.

Работу Фазы I поддерживает грант в размере чуть более $1,48 млн от Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) Министерства энергетики США (DOE), остальное финансирование — от Университета Массачусетса в Амхерсте, Массачусетского совета по чистой энергии и академических партнеров: Университета штата Вашингтон, Калифорнийского университета в Беркли и компании Metabolics, Inc. из Кембриджа.

В университете проект курирует Институт исследований биотоплива Массачусетса (TIMBR), представляющий 35 исследователей из 10 академических отделов. Менеджер TIMBR Джим Демэри отмечает, что институт привлекателен для финансирующих агентств, поскольку демонстрирует наличие междисциплинарной структуры и ключевых коллабораций. «Нам очень повезло иметь в Университете Массачусетса в Амхерсте экспертов национального уровня», — говорит он.