Исследователи Северокаролинского государственного университета сделали революционное открытие, которое может изменить будущее устойчивого производства промышленных химикатов. Их недавнее исследование, опубликованное в Science Advances, описывает, как генетически модифицированные тополя могут привести к более экономичному и экологически чистому методу производства промышленных химикатов.
В исследовании показано, что сниженное содержание метокси в лигнине улучшает его микробную разлагаемость, позволяя производить химикаты без зависимости от нефти. Традиционно устойчивость лигнина к разложению мешала преобразованию биомассы в промышленные продукты. Однако исследователи выявили содержание метокси как ключевой фактор, влияющий на эффективность микробной ферментации, необходимой для преобразования биомассы в полезные химикаты.
Под руководством Роберта Келли и Джека Ванга команда провела более десяти лет, исследуя эту область. Они обнаружили, что, хотя деревья с низким содержанием лигнина идеальны для производства бумаги, деревья с низким содержанием метокси более эффективны для микробной деградации и преобразования древесины в химикаты, такие как ацетон и водород. Этот метод имеет преимущества по сравнению с традиционными процессами, основанными на ископаемом топливе, так как требует меньше энергии и имеет меньший экологический след.
Почему тополя? Ученые объясняют, что эти деревья быстро растут, требуют минимального использования пестицидов и хорошо развиваются на маргинальных землях, непригодных для сельскохозяйственного производства. Ранее группа Келли продемонстрировала, что некоторые экстремальные термофильные бактерии могут разлагать целлюлозу деревьев, но не в экономически жизнеспособных масштабах.
Модифицируя генетически тополя с помощью технологии CRISPR для снижения содержания лигнина и метокси, исследователи улучшили эффективность бактерий, что привело к повышенной продукции химикатов. Как отметил Райан Бинг, бывший аспирант группы Келли: «Мы можем использовать способность определенных термофильных бактерий поглощать растительное сырье и превращать его в ценные продукты». Исследование показывает, что снижение содержания метокси делает целлюлозу более доступной для этих бактерий, что решает предыдущие ограничения.
Генетическая модификация деревьев не только предоставляет жизнеспособный источник для производства промышленных химикатов, но и значительно снижает потребность в предварительных обработках, что, в свою очередь, снижает затраты и воздействие на окружающую среду. Вместо использования ферментов и химикатов для разложения растительной биомассы этот подход использует микроорганизмы, которые не только разлагают целлюлозу, но и ферментируют ее в одном шаге для получения таких продуктов, как этанол, что делает процесс более эффективным.
Успех этого исследования может трансформировать производство многих промышленных химикатов, предлагая более дешевую и экологически чистую альтернативу нефтяным производным. Если генетически модифицированные тополя с низким содержанием метокси и лигнина окажутся жизнеспособными в полевых испытаниях, они могут стать ключевым источником для удовлетворения глобального спроса на устойчивые промышленные химикаты и способствовать смягчению последствий изменения климата.
Ван и его команда уже начали полевые испытания с генетически модифицированными тополями, чтобы проверить их устойчивость и жизнеспособность за пределами теплицы. Если результаты будут положительными, это может предложить экономически эффективное и устойчивое решение для производства химикатов в промышленных масштабах, снижая зависимость от нефти и помогая смягчить изменение климата.
Наконец, Дэниел Сулис, соавтор исследования, отметил, что экологическое воздействие этого открытия имеет значительное значение, поскольку оно предлагает решение для снижения углеродных выбросов и продвижения к более зеленой и устойчивой экономике. По словам Сулиса: «Экологические катастрофы, вызванные изменением климата, подчеркивают необходимость поиска альтернатив ископаемым видам топлива, и деревья, как обильный природный ресурс, могут стать многообещающим решением для удовлетворения потребностей общества в химикатах, защищая при этом планету».