Инженерные растения для устойчивого будущего

Структуры, которые растения создают ежедневно, могут помочь заменить загрязняющие материалы и пластик на менее вредные для окружающей среды.

Наше новое открытие, опубликованное в Nature Plants, показывает, как в будущем можно будет манипулировать клеточными стенками растений, чтобы изменить способы производства биотоплива, биопластиков и других биоматериалов.

Строительные блоки жизни

Каждая растительная клетка окружена клеточной стенкой. Ученые стремятся понять их, чтобы научиться управлять их составом и структурой.

Особенно важной целью было научиться контролировать производство гибких первичных стенок, которые поддерживают рост клетки. Сахарные полимеры в этих стенках можно использовать для получения биотоплива, зеленых наноматериалов или биопластиков.

Однако большая часть растительного материала состоит из вторичных стенок, связанных с древесиной. Их характеристики отличаются, и их гораздо сложнее расщепить. Если бы удалось заменить один тип стенки на другой или смешать их характеристики, извлечение сахаров стало бы проще.

Потенциальный путь решения — найти способ «включать» гены, контролирующие программу построения того или иного типа стенки.

Главные регуляторы

В новом исследовании мы идентифицировали «главные регуляторы», которые могут включать производство первичной стенки. Удивительно, но эти регуляторы заставляют клетки производить толстые первичные стенки, которые могут даже заменять вторичные.

Способность сочетать легкость расщепления сахарных полимеров первичной стенки со способностью вторичных стенок расти толстыми означает, что мы можем потенциально полностью изменить состав биомассы растений — от прочного, но трудноразрушимого материала к более пластичному и легкорастворимому.

Мы нашли эти регуляторы, экспрессируя большую группу транскрипционных факторов (белков, которые могут активировать другие гены) в клетках древесных волокон растений. Ключевым моментом было использование в качестве исходного материала растений, не способных производить вторичные стенки. Для этого мы использовали растения из лаборатории Мицуды (Национальный институт передовых промышленных наук и технологий, Япония), у которых были «нокаутированы» гены, ответственные за эти прочные вторичные стенки.

Активируя транскрипционные факторы только в клетках древесных волокон, мы смогли отобрать растения, у которых вокруг клеток восстановилась толстая стенка. Химический анализ показал, что некоторые из них производили толстые стенки, но с характеристиками, похожими на первичные.

Действительно, эти стенки были больше похожи на толстые первичные. Хотя они менее прочны, чем типичные клетки древесных волокон, количество сахаров, выделяемых из них, существенно возросло.

Будущее устойчивых материалов

Комбинируя активность этих генетических регуляторов с различными транскрипционными факторами вторичной стенки, мы в будущем сможем целенаправленно создавать и конструировать биомассу растений. Это приведет к созданию растений, которые легко высвобождают сахара для производства зеленого топлива или новых типов материалов.

Эти материалы могут использоваться, например, в электронике, медицине, для компьютерных компонентов в качестве зеленых наноматериалов. В некоторых случаях они могут даже стать альтернативой пластику.

Растения могут помочь нам создать более экологичное будущее. Благодаря достижениям в геномике мы начинаем понимать их лучше, чем когда-либо. Наши открытия помогут сконструировать растения для производства новых типов клеточных стенок, открывая захватывающие перспективы для устойчивых материалов.