Новая модель системной биологии, которая имитирует процесс формирования древесины, позволяет ученым прогнозировать последствия включения и выключения 21 гена, участвующего в производстве лигнина, основного компонента древесины. Модель, созданная на основе более чем трех десятилетий исследований под руководством Винсента Чанга из группы лесных биотехнологий в Университете штата Северная Каролина, ускорит процесс создания деревьев для конкретных нужд в древесине, биотопливе, целлюлозе, бумаге и зеленой химии.
Впервые мы можем предсказать результаты модификации нескольких генов, участвующих в биосинтезе лигнина, вместо того, чтобы работать с одним геном за раз путем проб и ошибок, что является утомительным и трудоемким процессом, - говорит Джек Ван, доцент Колледжа природных ресурсов штата Северная Каролина и ведущий автор статьи об исследованиях в области коммуникаций с природой.
Лигнин, образующийся в клеточной стенке растений, является важным компонентом для роста деревьев, который придает древесине прочность и плотность. Но лигнин необходимо удалять из древесины при производстве биотоплива, бумаги и целлюлозы путем дорогостоящей обработки, требующей высоких температур и агрессивных химикатов.
Наличие такой модели, которая позволяет нам сказать, хотите ли вы этот тип древесины, вот гены, которые вам нужно изменить, очень полезно, особенно когда у вас есть огромное количество возможных комбинаций. с 21 геном пути», - говорит Ван.«Это возможно только с помощью комплексного анализа, который позволяет нам взглянуть на этот процесс на системном уровне, чтобы увидеть, как гены, белки и другие компоненты работают вместе, чтобы регулировать производство лигнина».
Эталонное исследование лигнина может представлять собой наиболее полную модель единого пути у одного вида растений, говорит Ван. Модель послужит основой для будущей работы и может быть расширена за счет включения новых компонентов и процессов, добавляет он.
Модель отслеживает 25 основных характеристик древесины. Для бруса первостепенное значение имеют плотность и прочность. Производители биотоплива используют гены, связанные с высоким уровнем полисахаридов, что позволяет легче превращать древесину в биодизельное топливо или топливо для реактивных двигателей. Производители целлюлозы и бумаги ищут древесину с низким содержанием лигнина или древесину, которая легче гидролизуется. Древесина с высоким содержанием лигнина является новым ресурсом для производства специальных фенольных соединений с добавленной стоимостью.
Новые приложения уже находятся в разработке. «Исследователи штата Северная Каролина в лаборатории Боба Келли изучают, как мы можем выращивать деревья, которые можно сочетать с термофильными бактериями для оптимального преобразования в биотопливо и биохимические вещества», - говорит Ван.«Мы также рассматриваем этот комплексный анализ для создания деревьев, специально предназначенных для производства волокон наноцеллюлозы для замены материалов на нефтяной основе, таких как пластик».
Более трех десятков молекулярных генетиков, инженеров, химиков и математиков внесли свой вклад в модель. Исследование, начатое в 2008 году, включало в себя кропотливый процесс создания тысяч трансгенных деревьев с использованием модельных видов деревьев черного тополя (Populus trichocarpa). Несколько исследователей, которые изначально участвовали в проекте в качестве аспирантов программы, теперь руководят собственными лабораториями по всему миру.
Исследование подчеркивает полезность исследований растений на системном уровне, которые, как надеются исследователи, вдохновят на аналогичную работу по родственным путям у других видов.
«Сложность биологических путей такова, что уже недостаточно смотреть на мелкомасштабный независимый анализ одного или двух генов», - говорит Ван.«Мы должны использовать подход системной биологии, чтобы взглянуть на анализ всего пути или всего организма на системном уровне, чтобы понять, как отдельные гены, белки и другие компоненты работают вместе, чтобы регулировать свойство или поведение».
Теперь у нас есть долгожданная базовая модель, в которую можно включить новые регуляторные факторы более высокого уровня, такие как факторы транскрипции (регуляторные белки), регуляторные РНК и другие важные для роста и адаптации, чтобы постоянно улучшать предсказуемость и расширить область применения модели», - говорит Чанг, давний руководитель Forest Biotechnology Group. «Поэтому наш следующий шаг - производство больших сортов для полевых испытаний, чтобы получить эти важные регулирующие факторы и произвести достаточно древесины, чтобы определить специфику их применения».