Легкоразрушаемые деревья облегчат получение биотоплива

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.