Генетически модифицированная древесина может хранить углерод и сокращать выбросы

Исследователи из Университета Мэриленда генетически модифицировали тополь для производства высокопроизводительной, структурной древесины без использования химикатов или энергоемкой обработки. Модифицированная древесина часто рассматривается как возобновляемая замена традиционным строительным материалам, таким как сталь, цемент, стекло и пластик. Она также имеет потенциал для хранения углерода в течение более длительного времени, чем традиционная древесина, поскольку она может противостоять разрушению, что делает ее полезной в усилиях по сокращению выбросов углерода.

Препятствием к настоящей устойчивости в инженерной древесине является то, что она требует обработки летучими химикатами и значительным количеством энергии, а также производит значительные отходы. Исследователи отредактировали один ген в живых тополях, которые затем вырастили древесину, готовую к инженерии без обработки.

Исследование было опубликовано онлайн 12 августа 2024 года в журнале Matter.

«Мы очень рады продемонстрировать инновационный подход, который объединяет генную инженерию и инженерию древесины, для устойчивого связывания и хранения углерода в устойчивой форме супердерева», — сказал Ипин Ци, профессор кафедры ботанических наук и ландшафтной архитектуры в UMD и соавтор исследования. «Связывание углерода имеет решающее значение в нашей борьбе с изменением климата, и такая инженерная древесина может найти множество применений в будущей биоэкономике».

Прежде чем обработать древесину для придания ей структурных свойств, таких как повышенная прочность или устойчивость к ультрафиолетовому излучению, что позволит заменить ею сталь или бетон, ее необходимо лишить одного из ее основных компонентов — лигнина.

Ранее исследователи UMD успешно разработали методы удаления лигнина с использованием различных химикатов, а другие исследовали использование ферментов и микроволновой технологии. С помощью этого нового исследования Ци и его коллеги стремились разработать метод, который не полагается на химикаты, не производит химических отходов и не полагается на большое количество энергии.

Используя технологию, называемую редактированием оснований, для отключения ключевого гена 4CL1, исследователи смогли вырастить тополя с содержанием лигнина на 12,8% ниже, чем у диких тополей. Это сопоставимо с химической обработкой, используемой при обработке конструкционных древесных изделий.

Ци и его коллеги выращивали свои деревья-нокауты бок о бок с немодифицированными деревьями в теплице в течение шести месяцев. Они не заметили никакой разницы в темпах роста и никаких существенных различий в структуре между модифицированными и немодифицированными деревьями.

Чтобы проверить жизнеспособность генетически модифицированного тополя, группа под руководством профессора материаловедения и инженерии Лянбина Ху использовала его для производства небольших образцов высокопрочной прессованной древесины, похожей на древесно-стружечную плиту, которая часто используется при изготовлении мебели.

Прессованная древесина изготавливается путем замачивания древесины в воде под вакуумом, а затем горячего прессования до тех пор, пока ее толщина не составит около 1/5 от первоначальной. Этот процесс увеличивает плотность древесных волокон. В натуральной древесине лигнин помогает клеткам сохранять свою структуру и не дает им сжиматься. Более низкое содержание лигнина в химически обработанной или генетически модифицированной древесине позволяет клеткам сжиматься до более высокой плотности, увеличивая прочность конечного продукта.

Чтобы оценить эффективность генетически отредактированных деревьев, команда также изготовила прессованную древесину из натурального тополя, используя необработанную древесину и древесину, обработанную традиционным химическим способом для снижения содержания лигнина.

Они обнаружили, что спрессованный генетически модифицированный тополь показал себя наравне с химически обработанной натуральной древесиной. Оба были плотнее и более чем в 1,5 раза прочнее спрессованной необработанной натуральной древесины.

Спрессованная генетически модифицированная древесина имела прочность на разрыв, сопоставимую с алюминиевым сплавом 6061 и спрессованной древесиной, прошедшей химическую обработку.

Эта работа открывает возможности для производства различных строительных изделий относительно недорогим, экологически безопасным способом в масштабах, которые могут сыграть важную роль в борьбе с изменением климата.