SciAdv: Деревья превратят в доступные экологически чистые промышленные химикаты

Деревья — это богатый природный ресурс, и ученые из Университета штата Северная Каролина ищут способы их использования в производстве вместо нефти.

Исследователи определили молекулярное свойство лигнина — содержание метокси, которое влияет на возможность использовать микробную ферментацию для превращения деревьев и других растений в промышленные химикаты.

По словам Роберта Келли, мы приблизились к созданию экономически и экологически устойчивых промышленных химикатов из деревьев.

Группа Келли доказала, что некоторые термофильные бактерии разлагают целлюлозу в деревьях. Но этот процесс не имеет экономического и экологического смысла для производства промышленных химикатов.

Келли уже более 10 лет работает над решением проблемы высокого содержания лигнина в деревьях вместе с доцентом Джеком Вангом. Ванг руководит программой лесной биотехнологии в Колледже природных ресурсов NC State и преподает в Инициативе штата Северная Каролина по изучению растений.

Ученые во главе с Вангом использовали технологию CRISPR для изменения генома тополей. Эти деревья быстро растут, не требуют пестицидов и хорошо подходят для выращивания на маргинальных землях.

Некоторые из этих деревьев могут быть использованы для микробной деградации и ферментации. Однако бактерии по-разному взаимодействуют с разными видами растений.

По словам бывшего аспиранта Райана Бинга, некоторые термофильные бактерии из горячих источников, таких как Йеллоустонский национальный парк, способны перерабатывать растительную массу в нужные продукты. Но у них тоже разные предпочтения относительно видов растений.

Почему одно растение лучше другого? Мы нашли ответ на этот вопрос, изучив, как бактерии питаются разными растениями. Келли и Бинг проверили, насколько хорошо генно-инженерная бактерия Anaerocellum bescii, выделенная из горячих источников на Камчатке (Россия), разрушает деревья тополя с разным содержанием лигнина.

Оказалось, что чем ниже содержание метокси лигнина в дереве, тем больше оно разлагается. Это прояснило загадку: низкое содержание лигнина само по себе не является ключевым фактором. Вероятно, низкое содержание метокси делает целлюлозу более доступной для бактерий.

Ученый Ванг вывел тополя с низким содержанием лигнина, которые лучше подходят для производства бумаги.

Недавнее исследование показало, что деревья с низким содержанием не только лигнина, но и метокси больше всего подходят для микробной ферментации, в результате которой можно получить ацетон и газообразный водород. При этом воздействие на окружающую среду будет минимальным.

Пока эти деревья выращивали только в теплице, полевые испытания еще не проводились. Однако группа Келли показала, что из тополей с низким содержанием лигнина можно производить промышленные химикаты.

Если деревья окажутся устойчивыми в полевых условиях, у нас будут микробы, производящие большое количество химических веществ из тополя, — сказал Келли.

Теперь мы знаем, на какой маркер нужно обращать внимание — содержание метокси».

Исследователи, такие как Ванг, могут вывести линии тополей, которые лучше всего подходят для производства химикатов.

Сейчас химические вещества из деревьев получают традиционным способом: измельчают древесину и обрабатывают ее химикатами и ферментами.

Келли считает, что использование искусственных микробов для расщепления лигнина более экологично и требует меньше энергозатрат.

Ферменты расщепляют целлюлозу до простых сахаров, но их нужно постоянно добавлять.

Келли отметил, что определенные микроорганизмы производят ключевые ферменты, поэтому микробный процесс более экономичен. Они не только расщепляют, но и ферментируют целлюлозу в продукты, такие как этанол — все за один шаг.

Высокие температуры, при которых растут эти бактерии, избавляют от необходимости работать в стерильных условиях, как с менее термофильными микроорганизмами. Это делает процесс превращения деревьев в химикаты похожим на обычный промышленный процесс, повышая вероятность его внедрения.

Автор статьи в Science Advances Дэниел Сулис считает, что из-за экологических катастроф, вызванных изменением климата, нужно снизить зависимость от ископаемого топлива.

Одним из решений проблемы может быть использование деревьев для производства различных продуктов. Это поможет сохранить планету и повысить уровень жизни людей.

Результаты исследования не только развивают эту область, но и создают основу для будущих инноваций в использовании деревьев.

19.10.2024