Команда учёных из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США создала модифицированные тополя для производства ценных химических веществ, которые можно использовать для изготовления биоразлагаемых пластиков и других продуктов.
Модифицированные деревья оказались более устойчивыми к высоким уровням соли в почве, и их легче было перерабатывать для преобразования в биотопливо и другие биопродукты.
Исследование, опубликованное в журнале Plant Biotechnology Journal, показывает, что тополя, которые уже используются в качестве энергетической культуры, можно перепрограммировать на генетическом уровне, чтобы они действовали как живые фабрики по производству ценных материалов.
Этот подход к производству важных сырьевых материалов может помочь создать гибкую внутреннюю цепочку поставок, потенциально снижая затраты и уменьшая зависимость от импортных специальных химикатов.
«Это исследование демонстрирует метаболическую «пластичность», или гибкость, тополя и возможность создания устойчивых к стрессам культур для производства нескольких желаемых продуктов», — сказал биолог Брукхейвенской лаборатории Чан-Джун Лю, который руководил исследованием. «Это пример того, как фундаментальные биологические открытия, помогающие нам понять метаболические процессы в растениях, могут привести к практическим применениям в реальном мире».
В исследовании приняли участие сотрудники Объединённого института биоэнергетики, которым управляет Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики США, и Киотского университета.
Команда модифицировала гибридные тополя для производства 2-пирон-4,6-дикарбоновой кислоты (PDC) — соединения, используемого для изготовления прочных, высокоэффективных пластиков и покрытий. Это соединение обычно получают с помощью сложных химических процессов или путём использования бактерий и других микробов для расщепления биомассы.
Команда из Брукхейвена внедрила микробный процесс в растения, вставив пять генов из встречающихся в природе почвенных микробов в гибридные тополя. Эти гены составляют синтетический метаболический путь, который перенаправляет часть метаболической системы растения для производства PDC и других родственных соединений, включая протокатехоевую кислоту и ванильную кислоту, которые используются в промышленности и фармацевтике.
«Тополь быстро растёт, адаптируется ко многим условиям и его легко размножать», — сказала Нидхи Двиведи, работающая с Лю в отделе биологии Брукхейвенской лаборатории. «Добавив этот новый путь, мы расширяем диапазон биопродуктов, которые могут производить эти деревья».
Генетические модификации изменили внутреннюю химию тополей другим полезным образом. В частности, клеточные стенки модифицированных растений содержали более низкие уровни лигнина — органического «древесного» полимера, который затрудняет расщепление биомассы.
В то же время в клеточных стенках было больше гемицеллюлозы — типа сложного сахара, который можно использовать для биохимических превращений. Благодаря меньшему количеству лигнина и большему количеству извлекаемых сахаров модифицированные деревья давали на 25 % больше глюкозы и в 2,5 раза больше ксилозы — ключевых ингредиентов для производства биотоплива и других биопродуктов.
Метаболические изменения также привели к увеличению количества воскового вещества, называемого суберином, в коре и корнях тополей. Суберин защищает ткани растений, помогает им удерживать воду и питательные вещества, а также блокирует токсины, позволяя модифицированным тополям расти в менее идеальных условиях, включая солёную почву.
«Эти деревья могут расти на почве, непригодной для производства продуктов питания, поэтому они не будут конкурировать за лучшие сельскохозяйственные угодья», — сказала Двиведи. «Когда они испытывают стресс из-за высокого уровня соли, они производят ещё больше биопродуктов, чем когда не испытывают стресса».
Пока что результаты получены на растениях, выращенных в теплицах. Следующий шаг — протестировать модифицированные тополя в полевых условиях, чтобы подтвердить их производительность и долгосрочную стабильность. Команда продолжит оптимизировать метаболический путь для ещё более высоких выходов PDC и родственных соединений.
Исследователи отмечают, что эта модель производства на основе растений легко модифицируется и масштабируется для удовлетворения меняющихся потребностей без первоначальных инвестиций, необходимых для традиционных химических производств.
«Эта работа даёт нам более глубокое понимание метаболизма растений», — сказал Лю. «Используя различные комбинации генов, мы потенциально можем производить дополнительные продукты. Эти знания помогут исследователям разработать продуктивные культуры для различных производственных и сельскохозяйственных нужд США».
Предоставлено:
[Брукхейвенская национальная лаборатория](https://phys.org/partners/brookhaven-national-laboratory/)
Другие новости по теме
- Разнообразие акул и скатов сокращается, что ставит под сомнение прежние предположения
- Известному морскому монстру Кливленда дана научная характеристика.
- В Калифорнии появилась новая волчья стая после того, как другая была усыплена.
- Путь вперёд: почему сохранение невидимых 99% жизни имеет фундаментальное значение для здоровья планеты
- Смертельный вирус угрожает табунам лошадей в Северном Техасе после вспышки к югу от Форт-Уэрта
- Наблюдение за восстановлением ДНК в реальном времени с помощью сенсора для живых клеток
- Широкая поддержка идеи контролируемого уничтожения диких оленей среди подписчиков природоохранных организаций
- Стресс, вызванный ливнями во время урагана, подавляет жизнедеятельность актиний.
- Улучшенная система картографирования прекращает ошибочную маркировку ферм, защищая торговлю кофе и какао
- Как пеканы превратились из игнорируемых деревьев в неотъемлемую часть праздничных традиций — 8000-летняя история единственного крупного ореха, произрастающего в Америке
Другие новости на сайте
- Infiniti планирует настоящий камбэк в сегменте высокопроизводительных автомобилей, стремясь конкурировать с BMW M
- Десятилетие в работе: нанокристаллы лантаноидов открывают новые возможности
- Модели-трансформеры превосходят нейронные сети в прогнозировании фондового рынка, показывает исследование
- Мох выжил в космосе 283 дня, поразив биологов 🧬
- Турция примет у себя COP31, Австралия сыграет свою роль. Что это значит для Тихоокеанского региона?
- Сравнение технологий для промышленного вывода LLM: vLLM, TensorRT-LLM, Hugging Face TGI и LMDeploy
- Что помнят деревья?
- Вы можете купить самый первый автомобиль BMW M
- Учёные впервые изучают внутреннюю область системы с белым карликом
- Лучшие предложения на Amazon в «Чёрную пятницу» (обновлено)