Ученые изучат генетические «коммутаторы» растений
Четырехлетний грант в размере $3,72 млн от Национального научного фонда США позволит исследователям из Университета штата Северная Каролина изучить, как гены влияют на тип и количество лигнина — «клея», связывающего волокна в древесине. Понимание роли лигнина важно для производства бумаги, биотоплива и строительных материалов.
Это будет самый масштабный анализ регуляции лигнина. Активируя генетические «включатели/выключатели» у более чем 10 000 деревьев черного тополя, ученые определят, как каждый из 33 генов, производящих лигнин, влияет на его тип и количество.
«Дополнительный лигнин создает более прочную древесину, что полезно для стройматериалов или энергии от сжигания древесины. Однако для производства бумаги или биоэтанола лигнин необходимо удалять», — говорит ведущий исследователь доктор Винсент Чианг. Удаление лигнина для бумаги — основа глобальной индустрии в $300 млрд, а эффективность преобразования биомассы в этанол во многом определяется лигнином.
«Чтобы произвести биоэтанол из древесины, лигнин необходимо расщеплять дорогой химической предварительной обработкой», — поясняет Чианг. — «Когда мы уменьшаем лигнин, модифицируя гены, мы можем исключить эту обработку, которая обычно составляет 35% стоимости производства этанола из биомассы, содержащей лигнин».
Для всестороннего понимания пути биосинтеза лигнина исследователи будут поочередно «отключать» каждый ген пути. Затем команда определит роль каждого гена в производстве конкретного типа и количества лигнина. В итоге информация будет преобразована в математическую модель с уравнениями, определяющими, как создавать нужные типы и уровни лигнина для конкретных целей.
«Мы начинаем с биосинтеза лигнина, но этот "системный подход" можно использовать для любого биологического процесса в любом растении», — отмечает Чианг. — «Он может направлять стратегии повышения продуктивности растений для материалов, энергии и пищи».
В проекте участвуют 37 исследователей, включая со-руководителей: доктора Рональда Седероффа, доктора Джоэла Дюкоста, доктора Фикрета Исика и доктора Джона Ральфа. Важным аспектом является обучение аспирантов и постдоков в области системной биологии. Шесть аспирантов будут проводить часть исследований для диссертаций. Также запланированы образовательные программы для недостаточно представленных групп на уровне университетов и школ.
«Этот проект объединяет усилия группы людей, пытающихся развить системную биологию, интегрируя индивидуальную работу, проводившуюся в течение всей жизни», — говорит доктор Рональд Седерофф. — «Мы используем системные подходы, типичные для инженерии, но объединяющие биологию с целью создания прогностических моделей. Интеграция геномики, протеомики, молекулярной биологии, биохимии, химии, статистики, науки о древесных продуктах и прогнозного моделирования делает это исследование по-настоящему уникальным. Этот "коммутаторный" подход установит новую стратегию для многих будущих исследований биологических процессов в растениях».