Когда в 2014 году ученые сообщили, что им удалось спроектировать растение из тополя, «предназначенное для деконструкции», это открытие попало в международные новости. Высокоразлагаемый тополь, первый в своем роде, может существенно снизить потребление энергии и затраты на преобразование биомассы в ряд продуктов, включая биотопливо, целлюлозу и бумагу.
Теперь некоторые из тех же самых исследователей сообщают об удивительном новом открытии. Как выразился профессор биохимии Университета Висконсин-Мэдисон Джон Ральф, «природа уже делала то, чему, как мы думали, мы ее с большим трудом научили».
Чтобы создать гибрид тополя, Ральф, Шон Мэнсфилд, Кертис Уилкерсон и другие исследователи из Центра биоэнергетических исследований Великих озер (GLBRC) включили экзотический ген, обеспечивающий слабые связи, в лигнин растения, трудно перерабатываемое соединение. это придает стенкам клеток растений прочность, но затрудняет их обработку в промышленных условиях. Полученный лигнин, получивший название зип-лигнин, легко разлагается в простых химических условиях.
Это новое исследование под руководством GLBRC, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что эти тополя и многие другие растения со всего филогенетического дерева фактически эволюционировали, чтобы естественным образом производить зип-лигнин. Другими словами, мы не только потенциально можем разводить растения на способность к разложению, но люди, возможно, делали именно это - выбирали определенные растения для более легкой обработки - в течение тысяч лет..
«Мы не знали, что растения производят родной зип, потому что не могли его обнаружить», - говорит Стив Карлен, научный сотрудник UW-Madison и ведущий автор статьи.«Когда мы добавили новый ген, мы думали, что добавляем функциональность, но на самом деле мы увеличивали то, что уже было».
Несмотря на то, что команда сначала не смогла обнаружить родной зип-лигнин в тополях или в дягиле китайском, из которого группа взяла ген, его отсутствие вызвало некоторые вопросы. Ральф давно подозревал, что какое-то растение где-то естественным образом производит зип-лигнин. И Карлен задавался вопросом, как дягиль или любое растение, если на то пошло, может производить молекулы, которые создают слабые связи в лигнине, но не включают их.
Используя метод, разработанный группой Ральфа несколько десятилетий назад, а также новый и высокочувствительный масс-спектрометр, Карлен сосредоточил свое внимание, найдя способ обнаружить низкие уровни природного зип-лигнина в деревьях тополя. С помощью Филипа Харриса, профессора биологических наук Оклендского университета в Новой Зеландии, Карлен начала полномасштабное филогенетическое исследование, стремясь определить, какие другие растения могут содержать природный зип-лигнин.
Карлен вскоре был по локоть в теплицах, садах и ландшафтных грядках по всему кампусу UW-Madison. Изучение более 60 образцов растений, доставленных в лабораторию, показало, что зип-лигнин содержится в исключительно разнообразных растениях: в бальзе, в райских птицах, во всех травах, которые он пробовал, и примерно в половине лиственных пород. и это лишь некоторые из них.
Вместе с Лаурой Бартли, адъюнкт-профессором микробиологии и биологии растений в Университете Оклахомы, Карлен также обнаружил зип-лигнин в рисе. Поскольку за производство этого лигнина отвечает совершенно другой ген, команда определила, что растения независимо эволюционировали, чтобы производить зип-лигнин, по сути, развив общие черты совершенно разными способами..
Хотя Карлен и его сотрудники еще не знают, в чем может заключаться эволюционное преимущество нативного зип-лигнина для растений, его широкое присутствие расширяет масштабы их исследований и дает возможность увеличения, либо с помощью инженерии, либо размножение, способность к разложению удивительно широкого спектра растений.
«Тот факт, что естественные растения уже делают это, означает, что для этого доступно гораздо больше генов, чем мы знали», - говорит Ральф. «И это означает гораздо более широкие возможности учиться и использовать в своих интересах то, что эти естественные растения уже делают».