Istraživači sa Državnog univerziteta Sjeverne Karoline koristili su CRISPR sistem za uređivanje gena za uzgoj stabala topola sa smanjenim nivoom lignina, glavne prepreke održivoj proizvodnji drvenih vlakana, uz poboljšanje svojstava drveta. Nalazi – objavljeni u časopisu Science – obećavaju da će proizvodnja vlakana za sve, od papira do pelena, biti zelenija, jeftinija i efikasnija.
Predvođeni NC State pionirom CRISPR-a Rodolpheom Barrangouom i genetičarom za drveće Jackom Wangom, tim istraživača je koristio prediktivno modeliranje kako bi postavio ciljeve smanjenja nivoa lignina, povećanja omjera ugljikohidrata i lignina (C/L) i povećanja omjera dva važna gradivna bloka lignina – siringil/guaiacil, kod topola. Ove kombinovane hemijske karakteristike predstavljaju optimum u proizvodnji vlakana, kažu Barrangou i Vang.
„Koristimo CRISPR da izgradimo održiviju šumu“, rekao je Barrangou, ugledni profesor za bioprocesiranje ,prehrambene i nutricionističke nauke i koautor rada. “CRISPR sistemi pružaju fleksibilnost za uređivanje više od samo pojedinačnih gena ili porodica gena, omogućavajući veće poboljšanje svojstava drveta.”
Model mašinskog učenja je predvidio i zatim sortirao kroz skoro 70.000 različitih strategija za uređivanje gena koje ciljaju na 21 važan gen povezan sa proizvodnjom lignina – neki mijenjaju više gena u isto vrijeme – da bi došli do 347 strategija; više od 99% tih strategija ciljalo je na najmanje tri gena.
Odatle su istraživači odabrali sedam najboljih strategija za koje je modeliranje predložilo da će dovesti do drveća koje će postići hemijski optimum – 35% manje lignina od divljih ili nemodifikovanih stabala; C/L omjeri koji su bili više od 200% veći nego kod divljih stabala; S/G omjeri koji su također bili više od 200% veći nego kod divljih stabala; i stope rasta drveća koje su bile slične divljem drveću.
Od ovih sedam strategija, istraživači su koristili CRISPR uređivanje gena kako bi proizveli 174 reda stabala topole. Nakon šest mjeseci u stakleniku, ispitivanje ovih stabala je pokazalo smanjen sadržaj lignina do 50% u nekim sortama, kao i povećanje omjera C-L za 228% u drugim.
Zanimljivo, istraživači kažu da je značajnije smanjenje lignina viđeno kod stabala sa četiri do šest izmjena gena, iako su stabla sa tri uređivanja gena pokazala smanjenje lignina do 32%. Promjene jednog gena uopće nisu uspjele znatno smanjiti sadržaj lignina, što pokazuje da bi korištenje CRISPR-a za izmjenu više gena moglo donijeti prednosti u proizvodnji vlakana.
Konačno, efikasnost u proizvodnji vlakana mogla bi smanjiti količine stakleničkih gasova povezane s proizvodnjom drvenjače do 20% ako se na drveću u industrijskom obimu postižu smanjenje lignina i povećani C/L i S/G omjeri.
Šumsko drveće predstavlja najveći biogeni ponor ugljika na zemlji i ključno je u nastojanjima da se suzbiju klimatske promjene. Ono je stub naših ekosistema i bioekonomije. U Sjevernoj Karolini, šumarstvo doprinosi preko 35 milijardi dolara lokalnoj ekonomiji i podržava približno 140.000 radnih mjesta.
“Multipleksno uređivanje genoma pruža izvanrednu priliku za poboljšanje otpornosti šuma, produktivnosti i korištenja u vrijeme kada su naši prirodni resursi sve više pod uticajem klimatskih promjena i potrebe za proizvodnjom održivijih biomaterijala koristeći manje zemljišta,” rekao je Wang, docent i direktor Forest Biotechnology Group u NC State i koautor rada.
Sljedeći koraci uključuju kontinuirane testove u staklenicima kako bi vidjeli kako se stabla sa uređenim genima ponašaju u usporedbi s divljim drvećem. Kasnije, tim se nada da će koristiti terenska ispitivanja kako bi procijenio da li stabla uređenih gena mogu podnijeti stresove koje pruža život na otvorenom, izvan kontroliranog okruženja staklenika.
Istraživači su naglasili važnost multidisciplinarne saradnje koja je omogućila ovu studiju, koja obuhvata tri državna koledža NC-a, više odjeljenja, Inicijativu za nauku o biljkama NC-a, Centar za molekularno obrazovanje, tehnologiju i istraživanje inovacija (METRIC) države NC-a i partnerske univerzitete.
“Interdisciplinarni pristup uzgoju drveća koji kombinuje genetiku, kompjutersku biologiju, CRISPR alate i bioekonomiju duboko je proširio naše znanje o rastu drveća, razvoju i korištenju šuma,” rekao je Daniel Sulis, postdoktorski znanstvenik na NC State i prvi autor rada. “Ovaj moćni pristup transformisao je našu sposobnost da otkrijemo složenost genetike drveća i izvučemo integrirana rješenja koja bi mogla poboljšati ekološki i ekonomski važne osobine drveta, a istovremeno smanjujući ugljični otisak proizvodnje vlakana.”
Nadovezujući se na dugogodišnje naslijeđe inovacija u oblasti nauke o biljkama i šumarstva u državi NC, Barrangou i Wang su stvorili startup kompaniju pod nazivom TreeCo kako bi unaprijedili korištenje CRISPR tehnologija u šumskom drveću. Ovaj zajednički napor koji predvode članovi fakulteta NC State ima za cilj da kombinuje genetičke uvide stabala sa moći uređivanja genoma kako bi se stvorila zdravija i održivija budućnost.
