С чистого листа: зачем генетически изменили деревья, из которых делают бумагу
Глобальная цифровизация не снижает нагрузки на производителей бумаги. Наоборот, рынок этой продукции растет. Россия — один из мировых лидеров в этой области, несмотря на то что на фоне санкций столкнулась с дефицитом белой бумаги. Многие считают ее экологичным продуктом, однако переработка древесины наносит серьезный урон экологии. Ученые ищут способы снизить вред. И не без успехов.
На первый взгляд белый лист бумаги может показаться зеленым: он биоразлагаемый, сделан из возобновляемого ресурса и подходит для вторичной переработки. Однако отделение целлюлозы от других веществ, входящих в состав древесины, наносит большой урон окружающей среде. Ежегодно бумажные фабрики производят миллионы тонн химических отходов и выбрасывают в атмосферу свыше 150 млн тонн парниковых газов (СО2-эквивалент на тонну продукции).
Как сделать бумагу?
Фото: © Denis Klimov 3000 / Shutterstock / FOTODOM
Сперва нужно измельчить древесину (в ее состав, помимо целлюлозы, входит лигнин — один из самых распространенных биополимеров на планете). К ней добавляем воду и химикаты, которые разрушают жесткие структуры лигнина и позволяют отделить целлюлозные волокна от других компонентов. Затем отбеливаем получившуюся целлюлозу и отправляем ее под пресс. Потом останется только высушить получившиеся листы и разрезать под нужный формат бумаги.
Чтобы упростить производство бумаги, ученые уже давно пытаются выводить сорта деревьев с меньшим содержанием лигнина, но успехи до недавнего времени были скромными. Главное препятствие: биосинтез этого вещества деревом сложно регулировать. В процессе участвуют 11 семейств генов и сотни генетических и регуляторных элементов, а эксперименты касались лишь отдельных генов, а не всей системы целиком.
Чаще всего на производстве используют тополя, так как они неприхотливы и быстро растут
Фото: © goccedicolore.it / Shutterstock / FOTODOM
Ученые из University of North Carolina решили пойти другим путем и использовали CRISPR/Cas9 — систему редактирования генов. Основываясь на данных экспериментов по лесной биотехнологии, длившихся десятилетиями, исследователи построили компьютерную модель. Она способна предсказывать, как одновременное редактирование генов тополя может изменить состав древесины, скорость роста и другие важные факторы.
«Генетические ножницы» CRISPR/Cas9
В 2005 году группа ученых под руководством Франсиско Мохика установила взаимосвязь участков генома с неизвестными функциями под названием CRISPR с иммунитетом бактерий. При помощи участков CRISPR и белков группы Cas бактерии могли бороться с заражающими их вирусами. Позже были установлены механизмы процесса, который лег в основу современной генной инженерии. За внедрение методов генного редактирования CRISPR-Cas, их еще называют «генетическими ножницами», французский микробиолог Эммануэль Шарпантье и американский биохимик Дженнифер Даудна в 2020 году получили Нобелевскую премию по химии.
Лауреаты Нобелевской премии по химии: французский ученый Эммануэль Шарпантье и профессор Калифорнийского университета в Беркли Дженнифер Дудна Фото: © Henrik Montgomery / EPA / TASS
После оценки почти 70 тыс. различных комбинаций редактирования генов стало ясно, что 99,5 % вариантов изменений генома окажут негативное воздействие: ветви не смогут оставаться достаточно жесткими и будут провисать, что нарушит рост дерева. Всего удалось подобрать 347 комбинаций, которые не приводили бы к нежелательным последствиям, а только увеличивали концентрацию целлюлозы и снижали содержание лигнина.
Из них исследователи выбрали 174 самые многообещающие и вырастили растения с измененным геномом в теплицах. Через полгода в наиболее перспективных образцах содержание лигнина снизилось почти на половину, а соотношение целлюлозы к лигнину увеличилось на 228 %. По подсчетам исследователей, благодаря их открытию производители бумаги могут нарастить объем выпускаемой продукции на 40 %, при этом сократить выбросы парниковых газов на 20 %. Результаты масштабного исследования опубликованы в журнале Science.
CRISPR использовали для того, чтобы отключить некоторые гены или снизить их активность, то есть искусственно выведенные сорта не содержат трансгенов
Фото: © CHENMIN YANG / ROBERT F. SERVICE / Genetically edited wood could make paper more sustainable / AAAS
Прежде чем внедрять новые сорта на производстве, нужны дополнительные полевые испытания, чтобы подтвердить сохранение полезных свойств и во взрослом дереве. Немаловажно и то, что снижение концентрации лигнина приведет к уменьшению жесткости древесины, из-за чего растения могут оказаться излишне уязвимыми перед насекомыми и разгулом стихии, например ураганным ветром. Как бы то ни было, возможность аналогичных генетических изменений уже рассматривается для сосны и эвкалипта, которые также широко используются в производстве бумаги.
