Генетически модифицированные тополя производят ключевой химикат для биоразлагаемых пластиков

Учёные из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США (DOE) создали генетически модифицированные гибридные тополя, которые производят ценные химические вещества для создания биоразлагаемых пластиков. Эти деревья также стали более устойчивыми к засолению почвы, а их биомасса легче расщепляется для производства биотоплива и других биопродуктов.

Исследование, опубликованное в Plant Biotechnology Journal, показывает, что тополя, уже используемые как биоэнергетическая культура, можно перепрограммировать на генетическом уровне, чтобы они действовали как живые фабрики для производства высокоценных материалов.

Перепрограммирование тополя

Команда модифицировала деревья для производства 2-пирон-4,6-дикарбоновой кислоты (PDC) — соединения, используемого для создания прочных высокопроизводительных пластиков и покрытий. Обычно PDC получают с помощью сложных химических процессов или используя бактерии для расщепления биомассы.

Учёные перенесли микробный процесс в растения, вставив пять генов из природных почвенных микробов в гибридные тополя. Эти гены составляют синтетический метаболический путь, который перенаправляет часть метаболической системы растения на производство PDC и других родственных соединений, включая протокатеховую и ванилиновую кислоты, имеющих промышленное и фармацевтическое применение.

Другие полезные изменения

Генетические модификации изменили внутреннюю химию тополей и другими полезными способами:

• Снижение лигнина: Стенки клеток модифицированных растений содержали меньше лигнина — органического «древесного» полимера, который затрудняет расщепление биомассы.
• Увеличение гемицеллюлозы: Стенки клеток содержали больше гемицеллюлозы — сложного сахара, пригодного для биохимической конверсии.
• Увеличение выхода сахаров: Модифицированные деревья давали на 25% больше глюкозы и в 2.5 раза больше ксилозы — ключевых ингредиентов для производства биотоплива.
• Накопление суберина: В коре и корнях деревьев накапливалось больше воскообразного вещества суберина, которое защищает ткани растений, помогает удерживать воду и блокирует токсины. Это позволило модифицированным тополям расти в неидеальных условиях, включая засоленную почву.

«Эти деревья могут расти на почвах, непригодных для производства продуктов питания, поэтому они не будут конкурировать за лучшие сельскохозяйственные земли», — отметила участница исследования Нидхи Двиведи. «В условиях стресса от высокого содержания соли они производят даже больше биопродуктов, чем без стресса».

Пока результаты получены на растениях, выращенных в теплице. Следующий шаг — испытания в полевых условиях для подтверждения их производительности и долгосрочной стабильности. Команда продолжит оптимизировать метаболический путь для ещё более высокого выхода PDC и родственных соединений.

«Эта работа даёт нам более глубокое понимание метаболизма растений», — сказал руководитель исследования Чан-Джун Лю. «Используя различные комбинации генов, мы потенциально можем производить дополнительные продукты. Эти знания помогут исследователям создавать продуктивные культуры для целого ряда потребностей американской промышленности и сельского хозяйства».