Модель образования древесины ускорит прогресс в биоэнергетике и производстве бумаги

Новая модель системной биологии, имитирующая процесс образования древесины, позволяет учёным предсказывать эффекты от включения и выключения 21 гена пути биосинтеза лигнина — ключевого компонента древесины. Модель, основанная на более чем 30-летних исследованиях под руководством Винсента Чанга из Forest Biotechnology Group в Университете штата Северная Каролина (NC State), ускорит создание деревьев с заданными свойствами для нужд лесной промышленности, биоэнергетики, производства целлюлозы, бумаги и «зелёной» химии.

«Впервые мы можем предсказывать результаты модификации нескольких генов, вовлечённых в биосинтез лигнина, вместо того чтобы работать методом проб и ошибок с одним геном за раз — это утомительный и долгий процесс», — говорит Джек Ван, ведущий автор статьи в Nature Communications.

Лигнин, формирующийся в клеточной стенке растений, необходим для роста деревьев и придаёт древесине прочность и плотность. Однако при производстве биотоплива, бумаги и целлюлозы лигнин приходится удалять из древесины с помощью дорогих процессов, требующих высоких температур и агрессивных химикатов.

«Такая модель, позволяющая сказать: "Если вам нужна древесина такого типа, вот гены, которые нужно модифицировать", — очень полезна, особенно когда у вас есть огромное число возможных комбинаций с 21 геном пути», — отмечает Ван.

Модель отслеживает 25 ключевых характеристик древесины:

• Для лесоматериалов важны плотность и прочность.
• Производители биотоплива фокусируются на генах, связанных с высоким уровнем полисахаридов, что облегчает конверсию древесины в биодизель или авиатопливо.
• Производители целлюлозы и бумаги ищут древесину с низким содержанием лигнина или легче поддающуюся гидролизу.
• Древесина с высоким содержанием лигнина — новый ресурс для производства особых фенольных соединений с добавленной стоимостью.

Уже ведутся работы над новыми применениями: создание деревьев для оптимальной конверсии в биотопливо и биохимикаты с помощью термофильных бактерий, а также производство наноцеллюлозных волокон для замены нефтепродуктов, таких как пластик.

В создании модели, начатой в 2008 году, участвовали более трёх десятков молекулярных генетиков, инженеров, химиков и математиков. Работа включала кропотливый процесс создания тысяч трансгенных деревьев на модельном виде — тополе чёрном (Populus trichocarpa).

«Сложность биологических путей такова, что уже недостаточно рассматривать мелкомасштабный, независимый анализ одного-двух генов», — подчёркивает Ван. — «Следует использовать подход системной биологии, чтобы рассматривать весь путь или весь организм на системном уровне».

«Теперь у нас есть долгожданная базовая модель, в которую можно включить новые регуляторные факторы более высокого уровня, такие как факторы транскрипции, регуляторные РНК и другие, важные для роста и адаптации», — говорит Чанг. — «Наш следующий шаг — производство большого разнообразия деревьев для полевых испытаний, чтобы получить эти важные регуляторные факторы и произвести достаточно древесины для определения специфики её применения».