基因“剪刀”让造纸更可持续

本文转自：中国科学报

减少对能源和气候影响

基因“剪刀”让造纸更可持续

本报讯 纸制品似乎是最终的绿色产品。它们可回收、可生物降解、可再生，其主要成分为生长在树上的纤维素纤维。但是，将纤维素从植物中的其他物质，如木质素中分离出来，会给环境带来沉重代价。造纸厂每年产生数百万吨化学废物，排放的温室气体超过1.5亿吨。

在7月13日发表于《科学》的一项成果中，研究人员找到一种减轻环境负担的方法。使用基因“剪刀”CRISPR，他们种植出木质素含量比正常水平低得多的基因编辑杨树。他们认为，碾磨这些树木可以减少造纸带来的污染，同时为造纸行业节省数十亿美元。

“这是一项有影响力的工作。”德国吕讷堡大学的化学家Vania Zuin Zeidler在《科学》发表了一篇文章，描述了该成果的重要性，“他们不是在解决现有的问题，而是在努力防止污染”。

杨树是一种快速生长的树木。造纸工人首先把杨树木头切成小片，再加入水和化学物质分解坚韧的木质素结构。而分离出的含纤维素纤维的湿纸浆，最终被压制并干燥成纸。过去，研究人员曾试图培育和改良出木质素含量较低的树木，但收效甚微。

部分原因是木质素是由3种前体化合物通过复杂过程交织在一起的，这个过程受11个基因家族和数百个遗传与代谢调节元件的控制。过去的研究主要集中在对单个基因和基因家族进行调整，使木质素更容易分解，而不是对木质素生产的调节系统进行大规模改变。

但CRISPR基因编辑的便利性使研究人员看到了希望。美国北卡罗来纳州立大学生物技术专家Jack Wang和Rodolphe Barrangou及其数十位同事，建立了一个计算机模型，以预测与木质素生产相关的杨树基因的变化如何影响树木的木材成分、生长速度和其他因素。

在评估了近7万种不同的基因编辑组合后，他们确定了其中99.5%的变化是有害的，会导致树木枝条下垂等。但有347种组合都包含少量的个体基因变化，似乎可以安全增加纤维素而减少木质素，或两者兼而有之，从而激发树木的造纸潜力。

研究小组利用CRIPSR对174种最有希望的组合进行了基因编辑，然后在温室中种植这些基因编辑树木。6个月后，最有希望的品种的木质素含量降低了49.1%，纤维素-木质素含量增加了228%。研究小组报告说，如果一家造纸厂使用这些树种，可以增加40%的纸张产量，同时减少20%的温室气体排放，并使最终利润增加10亿美元。Barrangou说：“这将为该行业采用新技术提供动力。”

尽管如此，这种方法可能不会很快被采用。Barrangou指出，首先，研究人员需要进行实地试验，以确保这种新型树木能够生长成熟，并能承受现实世界的摧残。木质素不仅能帮助树木抵御风暴，还能保护它们免受昆虫侵害，而木质素对温室里的树木来说并不重要。Zeidler注意到，一些经过基因编辑的杨树并没有和普通杨树一样的“块头”。

基因编辑树木还需要通过监管机构审查。然而，Barrangou指出，经过基因改造的杨树不含任何转基因，也不含来自其他生物的基因。CRISPR仅用于消除树木已经携带的基因或减少其表达。

Wang和Barrangou创立了一家名为TreeCo的子公司。他们的目标是尽快开始对CRISPR编辑过的杨树进行田间试验，并努力将类似的基因编辑引入桉树和松树中，这两种树木也被广泛用于造纸。