Ученые использовали систему редактирования генов CRISPR для создания тополей с пониженным уровнем лигнина, побочного продукта производства целлюлозы. Выводы, опубликованные в журнале Science, обещают сделать производство древесных волокон более экологичным, дешевым и эффективным.
Лигнин — основной компонент клеточных стенок растений. Этот сложный химический полимер «склеивает» целлюлозные нити и придает механическую прочность растительным тканям. Отличительная черта лигнина — нерегулярная структура, которая может меняться в зависимости от вида растения.
В деревообрабатывающей промышленности лигнин удаляют в процессе обработки целлюлозы. Здесь производители бумажной продукции сталкиваются с проблемой. Лигнин, поступающий вместе с целлюлозой в качестве древесной массы, — сложное соединение, которое трудно расщепить и удалить из смеси с целлюлозой. В современной промышленности существуют растворители, которые могут разорвать химические связи в составе лигнина. Однако этот этап в производстве целлюлозы все еще достаточно трудоемкий, а главное — дорогостоящий.
Ученые из Университета штата Северная Каролина смогли генетически «отредактировать» тополь (Populus trichocarpa), чтобы улучшить характеристики древесных волокон. Среди основных факторов улучшения качества древесины исследователи выделили снижение уровня лигнина и увеличение углеводов в составе клеточной стенки.
При помощи машинного обучения команда определила почти 70 тысяч способов редактирования генома, нацеленных на 21 ген, связанный с производством лигнина. Среди них исследователи выбрали семь стратегий, которые могли бы создать деревья, производящие на 35% меньше лигнина, чем деревья дикого типа.
Исследователи вносили изменения в геном при помощи системы CRISPR/Cas. Механизм работы CRISPR основывается на совместной работе фермента Cas9 и гидовой РНК. Гидовая РНК, комплементарная определенному участку генома, приводит Cas9 к интересующему исследователей гену. Эндонуклеаза Cas9 разрезает двухцепочечную молекулу ДНК, после чего система репарации ДНК восстанавливает разрез. В процессе «ремонта ДНК» образуются вставки или делеции неопределенного числа нуклеотидов. Таким образом, при помощи системы CRISPR можно активировать или деактивировать гены, внося в них точечные мутации.
Ученые использовали систему редактирования CRISPR для создания 174 сортов тополей, в которых редактировали разное количество участков генома. Результаты обследования этих деревьев показали, что у некоторых сортов содержание лигнина снижено до 50%.
«Наши природные ресурсы все больше подвергаются опасности из-за климатических изменений. Редактирование генома дает нам замечательную возможность повысить устойчивость лесных экосистем и производить биоматериалы с использованием меньшего количества земли», — подытожил руководитель проекта Джек П. Ван из Университета штата Северная Каролина.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
