Биотопливо из древесных растений и трав вместо кукурузы и сахарного тростника
Ученые используют биотехнологии, чтобы преодолеть барьеры в производстве биотоплива из древесных растений и трав, а не из кукурузы и сахарного тростника, используемых для получения этанола.
Группа лесной биотехнологии Университета штата Северная Каролина (NC State), ответственная за несколько исследовательских достижений в этом году, обобщила прогресс и проблемы в исследованиях биотоплива для специального выпуска Plant Biotechnology Journal.
Главным барьером для производства более экологичного и экономичного биотоплива, по словам ведущего автора доктора Цюаньцзы Ли, являются прочные клеточные стенки растений, которые сопротивляются расщеплению на компоненты для биотоплива. Клеточные стенки содержат желаемые целлюлозу и гемицеллюлозу, которые «закрыты» лигнином — веществом, придающим древесине прочность, но мешающим производству биотоплива.
Чтобы получить биотопливо из древесины, производители должны удалить лигнин и преобразовать целлюлозу в этанол. Производство начинается с дорогостоящей предварительной обработки, затем используются ферменты для высвобождения сахаров, которые можно сбраживать для получения этанола.
Исследования в области биотехнологий сосредоточены на упрощении этого процесса по нескольким направлениям:
- Ученые нашли способы модифицировать структуру клеточной стенки, чтобы уменьшить количество лигнина и изменить его состав.
- Они манипулировали этапами формирования гемицеллюлозы и нарушали связи между лигнином и целлюлозой.
- Чтобы ускорить производство биотоплива, они вводили в растения ферменты, расщепляющие клеточную стенку, например, бактериальный ген, который не влияет на растение до активации при высоких температурах во время производства биотоплива.
Команда NC State создала генетически модифицированные деревья с пониженным содержанием лигнина — что является непростой задачей.
«Обычно при снижении содержания лигнина рост растений негативно сказывается, что также снижает производство биомассы, — говорит Ли. — Однако теперь мы знаем, что можем создавать трансгенные растения с прочными клеточными стенками и нормальным развитием, но с гораздо меньшим количеством лигнина».
Быстрорастущие деревья с высоким содержанием энергии могли бы расти на маргинальных землях, не нарушая производство сельскохозяйственных культур.
NC State много работала с тополем черным (Populus trichocarpa), модельным древесным видом для производства биотоплива. Исследователи из Группы лесной биотехнологии разработали инженерные модели, которые предсказывают, как 21 фермент пути влияет на содержание и состав лигнина, предоставляя что-то вроде GPS-навигации для будущих исследований.
Такой комплексный подход, включающий гены, белки, химические соединения растений и математические модели, соответствует системной биологической перспективе, которая является ключом к будущим прорывам, считает Ли.
«Прогресс достигнут во многих областях, но нам все еще не хватает полного понимания того, как формируется клеточная стенка. Мы должны лучше понимать факторы, контролирующие ее формирование, чтобы производить лучшую биомассу для биотоплива».