Тополя, спроектированные для разложения: прорыв в производстве биотоплива
Исследование, начавшееся 20 лет назад для улучшения процессов целлюлозно-бумажной промышленности, может революционизировать переработку биомассы в топливо, сделав её более энергоэффективной и дешёвой.
Учёные из Мичиганского государственного университета и Университета Висконсин-Мэдисон представили в журнале Science «редкий подход сверху вниз» к проектированию растений — в данном случае тополей — для повышения их перевариваемости.
Тополя — быстрорастущая культура, широко распространённая в США и Канаде, — ценны для биоэнергетики и производства биопродуктов. Они плотные, легко хранятся и растут на маргинальных землях, не конкурируя с продовольственными культурами.
Ключевая инновация: «застёжка-молния» для лигнина
Идея принадлежит профессору Джону Ральфу. В 1990-х его группа искала способы снизить энергозатраты на варку целлюлозы, упростив удаление лигнина — прочного полимера в клеточных стенках растений. Учёные предположили, что если внедрить в структуру лигнина слабые химические связи, его можно будет легко «расстегнуть, как молнию».
Эта задача актуальна и для биоэнергетики: сложность переработки лигнина — основное препятствие для доступа к ценным сахарам в биомассе, что увеличивает стоимость и энергозатраты на производство биотоплива.
Как создавали новые тополя
- Генетическая основа: Кёртис Уилкерсон идентифицировал и выделил ген, способный производить мономеры с более легко разрываемыми связями.
- Внедрение в растение: Шон Мэнсфилд из Университета Британской Колумбии успешно встроил этот ген в тополь.
- Результат: Растения не только производили новые мономеры, но и включали их в полимер лигнина, создавая «слабые звенья» в его цепи. Это превращало природный лигнин в версию, легче поддающуюся разложению.
Значение и перспективы
Исследование демонстрирует переход от манипуляций с известными генами к использованию «экзотических» генов для предварительного проектирования лигнина, совместимого с растением, но оптимизированного для химического разложения. Это открывает путь к созданию более ценной биомассы для производства биотоплива и бумаги.
Работа стала прямым результатом сотрудничества в рамках Центра биоэнергетических исследований Великих озёр (GLBRC), объединившего экспертов в генетике, химии растений и аналитических методах для решения комплексной задачи.