Naukowcy z NC State University odkryli, w jaki sposób modyfikacja ligniny w drzewach za pomocą CRISPR może sprawić, że będą one lepiej przystosowane do fermentacji mikrobiologicznej w celu zrównoważonej produkcji substancji chemicznych.
Ten przełom może zastąpić zapotrzebowanie na chemikalia na bazie ropy naftowej, oferując bardziej ekologiczną alternatywę, która jest zarówno opłacalna, jak i łagodna dla środowiska.
Zrównoważona produkcja chemiczna z drzew
Drzewa są jednym z najbogatszych zasobów naturalnych na Ziemi, a naukowcy z Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej czynią postępy w wykorzystywaniu ich jako zrównoważonych, przyjaznych dla środowiska alternatyw dla produkcji przemysłowych chemikaliów, które tradycyjnie wytwarza się z ropy naftowej.
Kluczowym wyzwaniem okazała się lignina – polimer, dzięki któremu drzewa są mocne i odporne na gnicie. Naukowcy z NC State odkryli teraz, dlaczego tak trudno jest pracować z ligniną: zidentyfikowali specyficzną cechę molekularną – zawartość grup metoksylowych – która decyduje o tym, jak łatwo fermentacja mikrobiologiczna może rozkładać drzewa i inne rośliny w celu produkcji przemysłowych chemikaliów.
Zaawansowane techniki fermentacji mikrobiologicznej
Odkrycia przybliżyły nas o krok do wytwarzania przemysłowych chemikaliów z drzew jako zrównoważonej ekonomicznie i środowiskowo alternatywy dla chemikaliów otrzymywanych z ropy naftowej, powiedział Robert Kelly, autor korespondent artykułu w czasopiśmie Postęp nauki szczegółowo opisując odkrycie.
Grupa Kelly’ego udowodniła wcześniej, że pewne ekstremalnie termofilne bakterie, które rozwijają się w miejscach takich jak gorące źródła w Parku Narodowym Yellowstone, mogą rozkładać celulozę w drzewach, ale „w niewielkim stopniu” – stwierdził. „Innymi słowy, nie na poziomie, który miałby sens ekonomiczny i środowiskowy w przypadku produkcji chemikaliów przemysłowych”.
Jak wyjaśnił Kelly: „Okazuje się, że w grę wchodzi coś więcej niż tylko niska zawartość ligniny”.
Ulepszenia genetyczne dzięki CRISPR
Aby obejść problem wysokiej zawartości ligniny w drzewach, Kelly, dyrektor programu biotechnologii stanu NC i profesor Alcoa na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej, współpracuje od ponad 10 lat z profesorem nadzwyczajnym Jackiem Wangiem, kierownikiem Instytutu Biotechnologii Leśnej Program w Państwowej Wyższej Szkole Zasobów Naturalnych NC. Wang jest także członkiem wydziału NC Plant Sciences Initiative.
Jak podano w czasopiśmie Science w 2023 r., Wang i jego współpracownicy wykorzystali technologię edycji genomu CRISPR do stworzenia topoli o zmodyfikowanej zawartości i składzie ligniny. Skoncentrowali się na topolach, ponieważ szybko rosną, wymagają minimalnego użycia pestycydów i rosną na gruntach marginalnych, na których trudno jest uprawiać rośliny spożywcze.
Preferencje mikrobiologiczne i badania genetyczne
Grupa Kelly’ego odkryła, że niektóre, ale nie wszystkie, drzewa poddane edycji CRISPR dobrze działały na degradację mikrobiologiczną i fermentację. Jako jego były doktorant Jak wyjaśnił student Ryan Bing, okazuje się, że bakterie te mają różny apetyt na różne rodzaje roślin.
„Możemy wykorzystać zdolność niektórych termofilnych bakterii z gorących źródeł w miejscach takich jak Park Narodowy Yellowstone do zjadania materii roślinnej i przekształcania jej w interesujące produkty. Jednak bakterie te mają różny apetyt na różne rodzaje roślin” – powiedział Bing, który obecnie pracuje jako starszy inżynier ds. metabolizmu w Capra Biosciences w Sterling w Wirginii.
„Pytanie brzmiało: dlaczego? Co sprawia, że jedna roślina jest lepsza od drugiej?” wyjaśnił. „Znaleźliśmy odpowiedź na to pytanie, przyglądając się, w jaki sposób te bakterie zjadają materię roślinną o różnym składzie”.
Kluczowa rola zawartości metoksylu
W kolejnym badaniu Kelly i Bing sprawdzili, jak dobrze genetycznie zmodyfikowana bakteria pierwotnie wyizolowana z gorących źródeł na Kamchutce w Rosji Anaerocellum besciirozbił topole inżynieryjne Wanga o wyraźnie różnej zawartości i składzie ligniny.
Naukowcy odkryli, że im niższa była zawartość metoksyligniny w drzewie, tym bardziej ulegała ona degradacji.
„To wyjaśniło tajemnicę, dlaczego sama niższa lignina nie jest kluczem – diabeł tkwił w szczegółach” – powiedział Kelly. „Niska zawartość grup metoksylowych prawdopodobnie sprawia, że celuloza jest bardziej dostępna dla bakterii”.
Konsekwencje dla produkcji komercyjnej
Wang stworzył topole o niskiej zawartości ligniny, aby lepiej nadawały się do produkcji papieru i innych produktów włóknistych, ale ostatnie badania sugerują, że modyfikowane topole, które mają nie tylko niską zawartość ligniny, ale także niską zawartość grup metoksylowych, najlepiej nadają się do wytwarzania substancji chemicznych w drodze fermentacji mikrobiologicznej.
Zaprojektowane przez Wanga topole dobrze rosną w szklarni, ale nie ma jeszcze wyników testów polowych. Grupa Kelly’ego wykazała już wcześniej, że topole o niskiej zawartości ligniny można przekształcić w chemikalia przemysłowe, takie jak aceton i wodór, co daje korzystne wyniki ekonomiczne, a także niewielki wpływ na środowisko.
Jeśli te drzewa utrzymają się na polu i „jeśli będziemy dalej pracować nad tym”, powiedział Kelly, „będziemy mieli drobnoustroje wytwarzające duże ilości substancji chemicznych z topoli, teraz, gdy wiemy, czego należy szukać – zawartość grup metoksylowych .”
Przyszłe kierunki i korzyści dla środowiska
Daje to badaczom, takim jak Wang, konkretny cel w zakresie produkcji linii topoli najlepiej nadających się do produkcji chemicznej. Aby odpowiedzieć na tę kwestię, Wang i współpracownicy rozpoczęli niedawno badania terenowe na zaawansowanych topolach modyfikowanych ligniną.
Obecnie wytwarzanie chemikaliów z drzew można wykonać tradycyjnymi metodami — siekając drewno na mniejsze kawałki, a następnie stosując chemikalia i enzymy do wstępnej obróbki przed dalszym przetwarzaniem.
Kelly stwierdził, że wykorzystanie zmodyfikowanych drobnoustrojów do rozkładu ligniny ma zalety, w tym mniejsze zapotrzebowanie na energię i mniejszy wpływ na środowisko.
Zalety mikrobiologiczne i potencjał przemysłowy
Enzymy można wykorzystać do rozbicia celulozy na cukry proste, ale w tym procesie należy je stale dodawać. Z drugiej strony, niektóre mikroorganizmy w sposób ciągły wytwarzają kluczowe enzymy, dzięki którym proces mikrobiologiczny jest bardziej ekonomiczny – stwierdził.
„Mogą też wykonać znacznie lepszą pracę niż enzymy i chemikalia” – dodał Kelly. „Nie tylko rozkładają celulozę, ale także fermentują ją do produktów takich jak etanol – wszystko w jednym etapie.
„Wysokie temperatury, w których rosną te bakterie, pozwalają również uniknąć konieczności pracy w sterylnych warunkach, co byłoby konieczne w przypadku mniej termofilnych mikroorganizmów, aby uniknąć zanieczyszczenia” – dodał. „Oznacza to, że proces przekształcania drzew w substancje chemiczne może przebiegać jak konwencjonalny proces przemysłowy, co zwiększa prawdopodobieństwo jego wdrożenia”.
Rozwiązanie problemu zmian klimatycznych poprzez rozwiązania oparte na biologii
Daniel Sulis, kolejny autor na Postęp nauki w swoim artykule i pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium Wanga stwierdził, że katastrofy ekologiczne spowodowane zmianami klimatycznymi uwydatniają pilną potrzebę przeprowadzenia badań, które znajdą sposoby na zmniejszenie zależności od paliw kopalnych.
„Jedno z obiecujących rozwiązań polega na wykorzystaniu drzew do zaspokojenia zapotrzebowania społeczeństwa na chemikalia, paliwa i inne bioprodukty, przy jednoczesnej ochronie planety i dobrostanu ludzi” – dodał Sulis.
„Te odkrycia nie tylko posuwają tę dziedzinę do przodu, ale także kładą podwaliny pod dalsze innowacje w zakresie wykorzystania drzew do zrównoważonych zastosowań biologicznych”.
Odniesienie: „Beyond Low Lignin: Identyfikacja podstawowej bariery dla konwersji biomasy roślinnej przez bakterie fermentujące” 18 października 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adq4941
