Ученые раскрыли механизм производства сосной ценных "зеленых" химикатов
Исследователи из Университета штата Вашингтон расшифровали механизм, с помощью которого сосна производит смолу (олеорезину). Это открытие может привести к созданию экологически чистых альтернатив целому ряду продуктов на основе ископаемого топлива, совокупная стоимость которых исчисляется миллиардами долларов.
Марк Ланге и его коллеги из Института биологической химии буквально "разобрали по винтикам" биохимическую фабрику, с помощью которой сосна ладанная (Pinus taeda, loblolly pine) производит олеорезину.
До появления нефтехимических аналогов в 1960-х годах эта липкая ароматная смесь смолы и эфирных масел была основой целой отрасли (naval stores) и использовалась в производстве красок, лаков, обувного крема и линолеума.
Международный спрос на олеорезины растет, причем предпочтение часто отдается натуральным продуктам, например, из сосны ладанной. Согласно анализу Grand View Research за 2016 год, прогнозировалось, что мировой объем продаж олеорезины к 2022 году достигнет $1,7 млрд.
Открытие лаборатории Ланге того, как производится олеорезина, "может вдохновить на новые инженерные подходы к производству возобновляемых "зеленых" химикатов", — отмечает голландский биолог Харро Боуместер в комментарии к исследованию Ланге в Journal of Experimental Botany.
Растения как химические фабрики
Как отмечает Ланге, растения — лидеры промышленности среди природных "фабрик". Люди производят около 3000 метаболитов (малых молекул, участвующих в метаболизме), а растения — сотни тысяч. Большая часть химического разнообразия растений, вероятно, еще неизвестна и может исчисляться миллионами соединений.
В случае сосны ладанной олеорезина является критически важным средством защиты от насекомых и патогенов. Растение не может убежать, поэтому вынуждено "стоять и сражаться". Для этого сосна производит настолько токсичные олеорезины, что ей приходится хранить их в специализированных структурах — смоляных ходах (resin ducts), чтобы не отравиться самой.
Метод лазерной микросекции
Чтобы понять, как производится олеорезин, Ланге сфокусировался на клетках, окружающих смоляные ходы. Используя микроскоп, оснащенный лазером, в Центре микроскопии и визуализации имени Франчески Университета штата Вашингтон, исследователи буквально вырезали нужные участки тканей.
"По сути, вы обводите область, которую хотите вырезать, а затем лазер следует по нарисованному контуру и испаряет ее", — объясняет Ланге.
Ученый сравнил клетки вблизи смоляных ходов с клетками, расположенными дальше, в поисках экспрессии генов, запускающих производство олеорезина.
От генов к "фабрике"
Используя амплифицированные гены из нескольких тысяч клеток, Ланге и его коллеги идентифицировали генетические последовательности, кодирующие определенные ферменты, и сопоставили их с биохимическими реакциями, которые могут приводить к созданию олеорезина.
"Мы пытаемся понять биохимические реакции, которые ведут от простого импортируемого источника углерода к сложной смеси олеорезина и продуктов. Вот она — фабрика", — говорит Ланге.
Перспективы применения
Более глубокое знание этих реакций и их генетической основы позволит:
- Скрининг деревьев: отбирать деревья с генами, делающими их лучшими производителями смолы.
- Синтетическая биология: воспроизводить метаболический путь производства смолы в других организмах, например, в E. coli или дрожжах, для получения специфических химических веществ.
"В конечном итоге это может привести к созданию устойчивых генотипов сосны, которые через лесные плантации смогут конкурировать с классической нефтехимией в производстве "зеленых" химикатов", — резюмирует Харро Боуместер.