Мягкое и твердое: ученые намерены получить древесину с оптимальными для переработки качествами

Ученые продемонстрировали потенциал мягкой древесины в более легкой переработке в целлюлозно-бумажную продукцию, если она включает ключевую особенность древесины твердой.

Открытие, опубликованное в издании Proceedings of the National Academy of Sciences, может улучшить экономику целлюлозно-бумажной и биотопливной промышленности, а также сократить воздействие этих промышленных отраслей на экологию.

«Мы показали возможность объединения некоторых наиболее экономически привлекательных особенностей каждого типа древесины», сообщил профессор Джон Ральф из Висконсинского университета в Мэдисоне.

По его словам, изменяя то, что некогда являло собой различия между твердой и мягкой древесиной, которые обрабатываются разными путями, можно создать возможности для многомиллиардных индустрий переработки биомасс.

Как и большая часть растений, деревья с твердой древесиной, такие как береза или тополь, содержат «клей» лигнин, известный сложностью переработки, который обеспечивает растительным тканям их структуру и прочность. Лигнин получается из связывающих молекул под названием G- и S-мономеры, причем S-мономеры вырабатывают лигнин, который разлагается проще. А поскольку твердая древесина содержит мономеры обоих типов, она ценится за относительно легкую переработку в целлюлозу и бумагу.

Мягкие древесины, такие как сосна или ель, с другой стороны, получают свой лигнин только из G-мономеров, и этот лигнин разлагается хуже, а потому такие типы древесины сложнее перерабатывать. Зато у них есть другое промышленное преимущество — более длинные волокна, которые особенно хороши для производства прочной бумажной продукции, такой как транспортные контейнеры и пакеты для продуктов питания. Кроме того, сахар, обнаруженный в мягкой древесине, проще и в большем объеме преобразуется в этанол, что делает мягкую древесину потенциально превосходным сырьем для производства биотоплива.

Ральф с командой сотрудников, включая первого автора исследования Эрмина Вагнера из Новозеландского НИИ Scion, использовали модель под названием система трахеального элемента, чтобы доказать возможность инжиниринга традиционной длинноволоконной мягкой древесины с более простым для переработки лигнином.

Система трахеального элемента стимулирует культуру клеток в суспензии производить вторичные клеточные стенки, примеры которых есть в настоящих древесных волокнах. В данном исследовании ученые преобразовали клетки мягкой древесины сосны в системе трахеального элемента посредством введения генов двух ключевых ферментов, которые знакомы по выработке лигнина в цветущих растениях, и показали, что итоговая мягкая древесина способна вырабатывать необходимые для производства лигнина твердой древесины S-мономеры, и внедрять их в клеточные стенки.

Далее ученые попытаются использовать тот же подход для инжиниринга актуальных типов мягкой древесины, чтобы произвести S-мономеры и лигнин обоих типов.

«Если удастся осуществить это в естественных условиях, мы сможем сократить интенсивность процессов предварительной обработки и повысить продуктивность производства», сообщил Ральф. „Есть также и экологическая польза: более эффективная и быстрая переработки биомассы сокращает объем загрязнения и потраченной энергии“.