Легкоразрушаемые деревья облегчат получение биотоплива

Если мы хотим получить биотопливо из древесины, то первым делом нужно удалить из неё лигнин. Благодаря лигнину, заполняющему пространство между целлюлозными волокнами, стенки растительных клеток столь прочны и жёстки, благодаря лигнину целлюлозу не атакуют патогены. Однако он же не даёт ферментам эффективно переработать целлюлозу клеточных стенок в спирты (или в какую-либо иную разновидность биотоплива). Но чтобы избавиться от лигнина, нужно подвергнуть древесину довольно жёсткой обработке едкой щёлочью и при высокой температуре. А это дорого и неудобно. Во многом из-за таких проблем биотопливо пока ещё не слишком хорошо представлено на рынке: в 2007 году Министерство энергетики США предсказывало, что к 2014-му объём целлюлозного этанола составит 6 млрд л в год, однако пока что производство доросло лишь до 1% от этого посула.


Одно время биотехнологи пытались решить проблему, просто уменьшив активность растительных генов, отвечающих за синтез лигнина. Но в результате растения становились менее прочными, ломались от собственного веса и не выдерживали порывов ветра. Другой подход заключался в том, чтобы изменить саму структуру лигнина. Хотя состав лигнина варьируется у разных растений, у него всё же есть три универсальных компонента — конифериловый, синапиловый и кумариновый спирты. Манипулируя с содержанием того или иного компонента, учёные надеялись сделать лигнин более удоборазлагаемым. Но и тут обнаружились свои трудности: во-первых, даже повышая уровень удоборазлагаемого компонента, потом всё равно надо было удалять оставшиеся составные части лигнина — а для этого вновь приходилось использовать дорогие и неудобные жёсткие условия. Во-вторых, растения с модифицированным лигнином часто росли не так, как надо, и приходилось потом ещё как-то модифицировать их гены роста, чтобы добиться нормального размера.

Поэтому наиболее перспективным здесь выглядит третий путь, описанный в журнале Science группой исследователей из нескольких университетов: Висконсинского в Мэдисоне, штата Мичиган (оба — США) и Британской Колумбии (Канада). Кёртис Уилкерсон (Curtis Wilkerson) и его коллеги добавили к растительному лигнину феруловую кислоту, которая соединялась одновременно с конифериловым и синапиловым спиртами. В получившемся комплексе обнаружились связи, которые можно было разорвать с гораздо меньшими усилиями. (Феруловая кислота сама по себе компонент вполне естественный, её синтезируют сами растения, и некоторые из них встраивают её в свой лигнин.)

Что значит «добавить к лигнину феруловую кислоту»? Учёные вставили соответствующие гены прямо в растение — и им оказался тополь. То есть дерево само синтезировало фуриловую кислоту и само добавляло её в лигнин клеточных стенок.

По словам биотехнологов, трансгенные тополя были здоровы и нормально росли (правда, в условиях лабораторной теплицы), однако чтобы разрушить их древесину, требовались куда более мягкие условия: не 170 ˚C, а всего 100 ˚C, с добавлением слабой щёлочи. Это давало в два раза больше целлюлозы, доступной для ферментации, чем при проварке обычной древесины.

По сути, растениям в лигнин вставляли «слабое звено», которое позволяло легко и быстро «расстегнуть» лигниновую защиту.

Не стоит думать, что проблема с трудноразлагаемым лигнином встречает нас только в случае древесины: он есть у всех растений, в том числе у зерновых, отходы от которых в первую очередь и пытаются приспособить для получения биотоплива. Словом, сейчас авторы работы заняты такой же модифицирующей операцией с зерновыми культурами. Правда, они честно предупреждают, что приемлемого результата придётся, возможно, ждать не один год — ведь полученные растения нужно будет проверить на то, не станут ли они совсем беззащитны перед вредителями и не скажется ли такая модификация на их урожайности.

Подготовлено по материалам Университета штата Мичиган. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.