Что общего у тополей, акул и биотоплива? Хотя вопрос может показаться странным, группа ученых под руководством биохимиков Мичиганского государственного университета сообщила о захватывающих открытиях, касающихся всех трех упомянутых пунктов.
В статье, опубликованной в журнале Plant Biotechnology Journal, команда исследователей рассказывает, как можно модифицировать тополя для производства ценнейшего химического вещества, которое обычно получают из печени акул, пишет Коннор Йек в релизе Michigan State University.
Модификация тополей для производства сквалена значительно повысила бы их экономическую роль, как и без того многообещающего источника биотоплива, а также помогла бы сократить разрушительный промысел акул.
«Я думаю, этот проект действительно демонстрирует, как мы можем использовать технические культуры по-новому. Использование модифицированных непродовольственных культур, таких как тополь, может стать более устойчивой альтернативой для производства химикатов, которые обычно получают из ископаемого топлива, или даже новых специальных химикатов», - сказал Джейк Бибик, первый автор статьи и бывший докторант в лаборатории исследователя Бьёрна Хамбергера из Мичиганского университета.
Сами по себе тополя отвечают нескольким критериям, необходимым для того, чтобы стать успешным сырьем для производства биотоплива. Они быстро растут на землях, не используемых в сельском хозяйстве, а их биомасса - органический материал, в котором хранится энергия - может быть разложена и ферментирована для производства биотоплива.
Одна из самых больших проблем сводится к простой экономике. «Биотопливо все еще не конкурентоспособно по сравнению с дешевой нефтехимией, которая есть на рынке», - сказал Хамбергер, профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии факультета естественных наук, который также является соисследователем в Исследовательском центре биоэнергетики Великих озер (GLBRC), исследовательском центре биоэнергетики под руководством Университета Висконсин-Мэдисон.
Ученые GLBRC долго искали способы извлечения других ценных продуктов из биомассы. Исследования показали, что тополь может быть жизнеспособным источником п-аминофенола, который используется для производства красителей, клеев и других полимеров, а также парацетамола, активного ингредиента тайленола.
Когда Хамбергер присоединился к центру в 2015 году, он предложил заняться терпенами - группой химических соединений, которые растения используют для уникальных взаимодействий с окружающей средой, таких как привлечение опылителей или защита от вредителей.
«Терпены — старейший и крупнейший класс специализированных метаболитов на планете. Поскольку они важны для всех видов взаимодействий, это довело их разнообразие до невероятного уровня, когда химия между ними просто сводит с ума», - сказал Хамбергер, который является преподавателем программ по молекулярным наукам о растениях, генетике и геномным наукам, а также по клеточной и молекулярной биологии Мичиганского государственного университета.
Терпены используются людьми на протяжении тысячелетий и, как было доказано, обладают противовоспалительными, противомикробными, противораковыми и антибактериальными свойствами, а также являются ключевыми компонентами ароматизаторов, косметики и парфюмерии, и это лишь некоторые из их применений.
Бибик, Хамбергер и их коллеги изучали терпен под названием сквален - органическое соединение, широко используемое в косметических продуктах и являющееся важнейшим компонентом вакцин.
Сегодня большую часть сквалена получают из печени акулы - на самом деле, название этого химического вещества происходит от латинского слова squalus, означающего «акула».
В ходе проекта команда создала тополя для производства сквалена двумя различными химическими путями. Один путь использовал гелеобразное вещество, известное как цитозоль, находящееся в центре клеток, в то время как другой был направлен на производство сквалена в хлоропластах — органеллах, ответственных за фотосинтез.
Представление сконструированных путей сквалена, используемых для трансформации тополя. Ферменты, необходимые для биосинтеза сквалена, FDPS и SQS, были перенаправлены на пластиды (справа) или использованы в сочетании с копродукцией липидных капель или каркасом посредством слияний с LDSP (слева). Эти пути используют строительные блоки IDP/DMADP, доступные в пластидах из пути MEP или в цитозоле из пути MVA. При конструировании тополя были предприняты попытки использования вариаций обеих стратегий. Изображение: Plant Biotechnology Journal (2024). DOI: 10.1111/pbi.14345
«Отвлекая углерод от обычного метаболизма для производства специализированных химических веществ в уникальных тканях тополя, Хамбергер и его команда используют весьма инновационную стратегию, чтобы превратить деревья в биологические фабрики. Очень волнительно быть частью этого совершенно нового и прогрессивного проекта. Так, установлено, что хлоропластный путь приводит к образованию 0,63 миллиграмма на грамм сквалена в листьях», - прокомментировал профессор Шон Мэнсфилд из Университета Британской Колумбии, эксперт по биоинженерии тополей и соавтор последней статьи.
Получив столь многообещающий результат, настало время для того, что Хамбергер назвал «проверкой реальностью». Команда совместно с Христосом Маравелиасом, профессором химической и биологической инженерии Принстонского университета, провела анализ, чтобы определить минимальную цену продажи сквалена, произведенного из тополя, чтобы выйти на уровень безубыточности. Исследователи обнаружили, что эта цифра составляет $144 за килограмм. Сквален, полученный из акул, стоит $40 за килограмм.
«Если вы хотите продать покупателю экологичный продукт, он должен быть не только экологичным, но и доступным по цене. К счастью, есть несколько способов повысить ценность. Один из них — увеличить общее производство, а другой переносит нас в мир парфюмерии и другого продукта морского животного происхождения - амбры», - сказал Хамбергер.
Вырабатываемая в пищеварительной системе кашалотов, амбра используется в парфюмерии для продления аромата. Хамбергер говорит, что должно быть возможно «улучшить» сквален до амбреина, другого ценного терпена, входящего в состав амбры. Ученые уже продемонстрировали, что бактерии можно сконструировать для производства амбреина, что открывает путь для дальнейшего изучения того, как тополя могут делать то же самое.
Наконец, еще один участник исследования, Том Шарки, доказал, что тополя, выведенные для производства сквалена, выделяют меньше изопрена, который косвенно способствует парниковому эффекту.
«Джейк, Бьёрн и их коллеги работают над методом, который, возможно, является самым многообещающим для создания специальных химикатов и топлива для случаев, когда подойдет только жидкое топливо, например, для реактивных самолетов», — сказал Шарки, почетный профессор университета в области BMB. Шарки также связан с Лабораторией исследований энергетических растений (MSU-Department of Energy Plant Research Laboratory) и Институтом устойчивости растений.
Благодаря этим совместным результатам ученые открыли новые горизонты в стремлении превратить тополя в еще более привлекательный источник биотоплива и ценных соединений.
Для Бибика, который сейчас является старшим научным сотрудником биотехнологической компании MelaTech, результаты работы команды в конечном итоге являются еще одним шагом на пути к использованию биохимического разнообразия нашей планеты для решения некоторых из ее самых серьезных проблем.
«Я считаю, что эта работа вносит вклад в создание прочной основы, необходимой для того, чтобы иметь возможность преобразовать исследования в области инженерии растений и терпеноидов в значимые биотехнологии», заключил он.
Источник: Michigan State University. Автор: Коннор Йек. На фото Бьёрн Хамбергер из Мичиганского государственного университета. Фото: Michigan State University.