Τα δέντρα CRISPR έχουν πιο βιώσιμο ξύλο

Μια από τις πιο αποτελεσματικές λύσεις για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής θα μπορούσε να είναι η καλλιέργεια στην αυλή σας. Τα δέντρα είναι απαραίτητα για την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα ενώ ταυτόχρονα απελευθερώνουν οξυγόνο. Οι εκτιμήσεις προτείνουν ένα ώριμο δέντρο

απορροφά πάνω από 48 κιλά διοξειδίου του άνθρακα

στην ατμόσφαιρα ανά έτος — αλλά υπάρχει ακόμη περιθώριο βελτίωσης. Τώρα, σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό


Επιστήμη


μια διεπιστημονική ομάδα χημικών, μηχανικών και περιβαλλοντικών επιστημόνων βελτιστοποιεί τον τρόπο με τον οποίο τα δέντρα μπορούν να βοηθήσουν περαιτέρω στη δημιουργία ενός βιώσιμου μέλλοντος.

Για να το κάνουν αυτό, εμβαθύνουν στη γενετική σύνθεση των δέντρων. «Δεν νομίζω ότι το ευρύ κοινό κατανοεί ή εκτιμά πλήρως τον αντίκτυπο που έχουν τα δέντρα στην κοινωνία μας και στη μείωση των εκπομπών άνθρακα. Η κατανόηση της γενετικής αυτού του κρίσιμου πόρου είναι σημαντική, ειδικά για την παραγωγή ινών που είναι σημαντικές για την αγοραστική μας οικονομία», λέει.

Ντάνιελ Σούλης

μεταδιδακτορικός υπότροφος στο North Carolina State University και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Ο Sulis και οι συνεργάτες του έκαναν την πρώτη επιτυχημένη προσπάθεια να χρησιμοποιήσουν την επεξεργασία γονιδίων για να εξορθολογίσουν τη διαδικασία παραγωγής ινών ξύλου. Οι συγγραφείς τροποποίησαν τη γενετική των δέντρων λεύκας για να μειώσουν την ποσότητα λιγνίνης – ένα οργανικό συστατικό που λειτουργεί ως η ραχοκοκαλιά για να δώσει στα δέντρα την άκαμπτη και ξυλώδη δομή τους. Με τη μείωση της ποσότητας αυτού του σκληρού δομικού υλικού που παράγουν τα δέντρα, η παραγωγή χαρτιού απαιτεί λιγότερο χρόνο και, με τη σειρά του, προκαλεί λιγότερη ρύπανση.

[Related: A beginner’s guide to selecting, planting, and protecting a new tree]

«Μελετούμε τη λιγνίνη για δεκαετίες, αλλά η πολυπλοκότητα αυτών των πολυμερών στο εσωτερικό του ξύλου καθιστά πολύ δύσκολη την τροποποίηση με τρόπους που είναι συμβατοί με εφαρμογές επεξεργασίας για παραγωγές», λέει.

Τζακ Γουάνγκ

επίκουρος καθηγητής στο Κολλέγιο Φυσικών Πόρων του Κρατικού Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.

Για να δημιουργηθούν ανανεώσιμα χαρτομάντηλα και άλλα προϊόντα, η λιγνίνη στο ξύλο πρέπει να κοπεί και να διαλυθεί με επικίνδυνα χημικά. Αυτή είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία και απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα όταν καίγεται η λιγνίνη, το οποίο μπορεί να συμβάλει στις ατμοσφαιρικές εκπομπές στην ατμόσφαιρα.

Στην τρέχουσα μελέτη, η ιδέα της ομάδας χρησιμοποίησε το CRISPR – μοριακό ψαλίδι που κόβει και τροποποιεί συγκεκριμένα τμήματα DNA – για να μειώσει τα επίπεδα λιγνίνης και να αυξήσει τους υδατάνθρακες. Αυτός ο υδατάνθρακας, όπως η κυτταρίνη, είναι επιθυμητός γιατί είναι αυτό που πολτοποιείται σε χάρτινα προϊόντα.

[Related: Are ‘mother trees’ real?]

Η ομάδα χρησιμοποίησε μοντέλα πρόβλεψης μηχανικής μάθησης για να περιορίσει 70.000 πιθανές στρατηγικές επεξεργασίας γονιδίων και πιθανούς στόχους σε λιγότερους από 350. Πειράματα παρακολούθησης για να δουν ποιο θα παρήγαγε ξύλο συμβατό με την παραγωγή ινών οδήγησε τους συγγραφείς να επιλέξουν επτά στρατηγικές, σχεδόν όλες στοχευμένες περισσότερα από ένα γονίδια.

Στόχος τους: Να δημιουργήσουν δέντρα με 35 τοις εκατό λιγότερη λιγνίνη από αυτά που υπάρχουν στη φύση. Ήθελαν επίσης η αναλογία υδατανθράκων προς λιγνίνη να είναι 200 ​​τοις εκατό υψηλότερη από τα μη επεξεργασμένα δέντρα. Με την επεξεργασία γονιδίων CRISPR, δημιούργησαν 174 διαφορετικές σειρές λεύκων, τις οποίες μεγάλωσαν σε θερμοκήπιο για έξι μήνες.

Μια ανάλυση της ξύλινης σύνθεσης του δέντρου μετά από έξι μήνες αποκάλυψε λιγότερη λιγνίνη στα δέντρα. Μερικοί είχαν τη μισή ποσότητα από μια κανονική λεύκα. Υπήρξε επίσης μια αύξηση 228 τοις εκατό στην περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες σε λιγνίνη.

«Η ικανότητα ακριβούς ελέγχου της περιεκτικότητας σε λιγνίνη επιτρέπει σε νέες διαδικασίες να χρησιμοποιούν ίνες ξύλου σε χαρτί και προηγμένη μηχανική ξυλεία», λέει.

Liangbing Hu

, ο διευθυντής του Κέντρου Καινοτομίας Υλικών στο Ινστιτούτο Καινοτομίας Ενέργειας του Μέριλαντ, ο οποίος έχει δημοσιεύσει έρευνα σχετικά με νέες προσεγγίσεις για την κατασκευή κυτταρίνης στο ξύλο, αλλά δεν συμμετείχε στην τρέχουσα μελέτη. «Για παράδειγμα, η παραγωγή χαρτοπολτού χρησιμοποιώντας επεξεργασμένο ξύλο με μειωμένη λιγνίνη μπορεί να προσφέρει σημαντικά οφέλη στον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής».

Οι λεύκες που έχουν επεξεργασθεί ώστε να έχουν λιγότερη λιγνίνη θα μπορούσαν να μειώσουν το αποτύπωμα άνθρακα της παραγωγής ινών κατά περισσότερο από 20%, σύμφωνα με την ανάλυση της ομάδας. «Αυτή αποδείχθηκε ότι είναι μια τεχνολογία που δεν είναι μόνο ωφέλιμη για την αποδοτικότητα της

βιωσιμότητα

ς της οικονομίας μας, αλλά ταυτόχρονα δημιουργεί λύσεις για πιο φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή αυτού του υλικού», προσθέτει ο Wang.

Η ζήτηση για ίνες ξύλου αυξάνεται καθώς η κοινωνία αναζητά πιο φιλικά προς το πράσινο προϊόντα, όπως ανανεώσιμα χαρτομάντιλα, χαρτοπετσέτες και υφάσματα. Τα δέντρα με γονιδιακή επεξεργασία μπορεί επίσης να αποδώσουν περισσότερο προϊόν: Μια ξεχωριστή ανάλυση στη μελέτη υπολόγισε ότι τα δέντρα με λιγότερη λιγνίνη θα μπορούσαν να παράγουν 40 τοις εκατό περισσότερες βιώσιμες ίνες.

Το επόμενο βήμα είναι η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής γονιδιακής επεξεργασίας σε άλλα δέντρα σκληρού ξύλου που χρησιμοποιούνται συνήθως στην παραγωγή χαρτιού, όπως το έλατο και το πεύκο. Δεδομένου ότι ο μηχανισμός για το πώς το ξύλο παράγει λιγνίνη είναι σχεδόν ο ίδιος σε πολλά είδη δέντρων, ο Wang λέει ότι είναι δυνατό να δοκιμάσουμε αυτήν την τεχνική και σε άλλους τύπους δέντρων. Μια άλλη κατεύθυνση που επιδιώκει η ομάδα είναι να φυτέψει αυτά τα δέντρα σε τεράστια χωράφια και να δει πώς τα επεξεργασμένα δέντρα αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον, μετρώντας πώς συμπεριφέρονται και συντηρούνται.

Επειδή χρειάζεται πολύς χρόνος για να ωριμάσουν αυτά τα δέντρα για χρήση στην παραγωγή ινών, θα είναι γύρω στο 2040 όταν η κοινωνία αρχίσει να βλέπει περισσότερα από αυτά, λέει ο Wang. Επιπλέον, όπως δείχνουν οι ανησυχίες για την απελευθέρωση γονιδιακά επεξεργασμένων κουνουπιών, η τοπική υποστήριξη θα ήταν ζωτικής σημασίας. Για επιτυχημένες και υπεύθυνες εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας, λέει, «πρέπει να διασφαλίσουμε ότι ό,τι κάνουμε ευθυγραμμίζεται πλήρως όχι μόνο με τους κυβερνητικούς κανονισμούς αλλά και με τη δημόσια αποδοχή και τα συμφέροντα της βιομηχανίας».