Инженерия растений для производства биотоплива

Чтобы удовлетворить растущий спрос на устойчивую энергетику, критически важно научиться производить биотопливо из растительной биомассы рентабельно. Однако лигнин и гемицеллюлозы в некоторых растениях затрудняют их преобразование в биотопливо. Исследование, опубликованное в журнале Biotechnology for Biofuels, похоже, решило эту проблему с помощью генетических манипуляций, позволивших создать растения, которые легче расщепляются на биотопливо.

Растения с высоким содержанием лигнина и гемицеллюлоз (лигноцеллюлозная биомасса) богаты пентозными сахарами, которые ферментировать в топливо сложнее, чем гексозные. Для производства биотоплива необходимо создать растения с меньшим количеством ксилана — основного нецеллюлозного полисахарида вторичных клеточных стенок.

Исследовательская группа из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) использовала три мутантных штамма Arabidopsis с дефицитом ксилана — мутанты irx7, irx8 и irx9. Целью было создание растений с низким содержанием ксилана и улучшенными свойствами для более легкого расщепления углеводов на простые сахара (сахарификация). Обычно мутанты irx демонстрируют карликовость из-за коллапса ксилемных сосудов и нарушения транспорта воды и питательных веществ. Учёные предположили, что восстановление биосинтеза ксилана в растениях компенсирует мутации.

Чтобы вернуть биосинтез ксилана в ксилему мутантов, Хенрик Шеллер и коллеги модифицировали промоторные области генов транскрипционных факторов VND6 и VND7, специфичных для сосудов. В результате фенотипы в некоторых случаях полностью восстановили дикий тип роста, что привело к появлению более прочных растений с восстановленными механическими свойствами. При этом общее содержание ксилана осталось низким, а улучшенные свойства сахарификации позволили эффективнее расщеплять биомассу на биотопливо.

Были получены растения со снижением уровня ксилозы на до 23% и содержания лигнина на 18%, при этом функция ксилемы была восстановлена. Урожайность сахарификации после предварительной обработки увеличилась на 42%.

Ведущий автор Хенрик Шеллер заявил: «Эти результаты показывают, что можно получить растения с уменьшенным количеством ксилана в стенках, сохранив при этом структурную целостность сосудов ксилемы. Представленная нами система инженерии ксилана — большой шаг к созданию специализированных энергетических культур, которые можно легко преобразовать в биотопливо». Он добавил: «Этот подход, опробованный на Arabidopsis, в ближайшем будущем может быть перенесён на другие виды биотопливных культур, в частности, на виды тополей».

Результаты этого исследования вселяют надежду, что вскоре может появиться жизнеспособная альтернатива ископаемому топливу.