Команда американских исследователей объявила о том, что смогла вывести новый сорт тополя, который способен повысить экономическую производительность лесного хозяйства и снизить ее воздействие на окружающую среду. Своими достижениями они поделились в статье, опубликованной в журнале Science.
В основе проблемы лежит лигнин — природный полимер, который содержится в клетках растений и придает им прочность. Эта негидролизованная часть в древесине разных пород составляет от 20 до 50%. Лигнин является побочным продуктом в производстве целлюлозы.
Для того, чтобы преобразовать древесную массу сосны или тополя в бумажную, ее нагревают до 170C с добавкой соды или серы. В результате получается большое количество отходов. В 2021 году половина из примерно 1,7 миллиарда тонн сырья составляли отходы. Среди них и черный или сульфатный щелок, который сильно загрязняет окружающую среду.
В последние два десятилетия ученые определили роль различных генов, которые ответственны за образование лигнина.
Но успех был достигнут благодаря двум инструментам. Первый — это искусственный интеллект.
Ученые попросили нейронную сеть, в которую загрузили все накопленные в их лаборатории знания по 21 гену, изучить около 70 тысяч комбинаций мутаций.
Искусственный интеллект нашел 347 комбинаций, которые приводили к уменьшению содержания лингина на 15% и увеличению содержания глюцида, из которого состоит целлюлоза. В дальнейшем ученые выбрали семь стратегий, позволяющих снизить содержание лигнина на 35% за счет одновременной модификации от четырех до шести генов.
Вторым инструментом стало использование технологии редактирования генома CRISPR. С его помощью результаты компьютерного моделирования удалось перенести в реальные лабораторные условия. Отключив одни гены и уменьшив активность других, ученые создали и вырастили 147 растений с измененным составом лигнина.
За шесть месяцев посаженные деревца волосистоплодного тополя (Populus trichocarpa) выросли на высоту 3 метров. Содержание лигнина было снижено на 50%. При этом не изменились физические свойства, такие как плотность и эластичность. В то же время 70% растений показали значительное уменьшение размера по сравнению с обычными тополями, что могло повлиять на урожайность. Поэтому в дальнейшем ученые сконцентрировались на изучении остатка 30%.
Экономическое моделирование показало, что использование генно-модифицированных растений поможет перерабатывать на 40% больше целлюлозы и получать больше волокна для бумаги. Авторы статьи называют «феноменальным» предполагаемое трехкратное повышение прибыли.
Кроме этого, они утверждают, что использование генно-модифицированной древесины значительно сократит выбросы таких загрязняющих веществ, как черный щелок, и позволит на 20% уменьшить выбросы в атмосферу парниковых газов, образующихся в производстве бумаги.
Теперь необходимо продолжить эксперимент в реальных природных условиях. Это займет от 25 до 30 лет.
Читайте еще:
В Европе скоро могут разрешить широкое использование генно-модифицированных растений
Как редактирование генов может повлиять на будущее человечества
