基因編輯木材可以使紙張更具可持續性
基因編輯楊樹生長在野生型對照旁邊，其含有較少的木質素。圖片來源：CHENMIN YANG
紙制品似乎是終極的綠色產品。它們可回收、可生物降解、可再生，其主要成分為生長在樹上的纖維素纖維。但是，將纖維素從植物中的其他物質中分離出來，比如從堅硬的木質物材料中分離出木質素，會對環境帶來沉重代價。造紙廠每年產生數百萬噸化學廢物，排放的溫室氣體超過1.5億噸。
近日，《科學》報道稱，研究人員已經找到了一種減輕環境負擔的方法。通過使用CRISPR基因編輯工具，他們種植出木質素比平常少得多的工程楊樹。他們認為，碾磨這些樹木可以減少造紙帶來的污染，同時為造紙行業節省數十億美元。
“這是一項有影響力的工作。”德國呂訥堡大學的化學家Vania Zuin Zeidler在《科學》發表了一篇文章，描述了該結果的重要性，“他們不是在解決現有的問題，而是在努力防止污染。
楊樹是種植園中常見的一種快速生長的樹木。造紙工人首先把楊樹木頭切成小片，再加入水和化學物質來分解堅硬的木質素結構，分離出纖維素纖維的濕漿，然后將其壓制并干燥成紙。過去，研究人員曾試圖培育和改造木質素含量較低的樹木，但收效甚微。
部分原因是木質素是由3種前體化合物在一個復雜的過程中編織在一起，這個過程受11個基因家族和數百個遺傳和代謝調節元件的控制。過去的研究主要集中在對單個基因和基因家族進行調整，使木質素更容易分解，而不是對調節整體木質素生產的系統進行大規模改變。
但CRISPR基因編輯的便利性，促使一組研究人員進行了嘗試。美國北卡羅萊納州立大學的生物技術專家Jack Wang和Rodolphe Barrangou及其數十位同事，基于數十年的森林生物技術研究建立了一個計算機模型，以預測與木質素生產相關的楊樹基因的變化如何影響樹木的木材成分、生長速度和其他因素。
在評估了近7萬種不同的基因編輯組合后，他們確定99.5%的這些變化是有害的，會導致樹木枝條下垂等。但是347種組合的每一種都包含少量的個體基因變化，似乎可以安全地增加纖維素，減少木質素，或兩者兼而有之，從而提高樹木的造紙潛力。
北卡羅來納州立大學的研究小組利用CRIPSR對174種最有希望的組合進行基因改變，然后在溫室中種植這些轉基因樹木。6個月后，最有希望的品種的木質素含量降低了49.1%，纖維素-木質素含量增加了228%。研究小組報告說，如果一家典型的造紙廠使用這些品種，就可以增加40%的紙張產量，減少20%的溫室氣體排放，并使其終身利潤增加約10億美元。Barrangou說：“這將為工業界采用新技術創造動力。”
盡管如此，采用這種方法可能不會很快實現。Barrangou指出，首先，研究人員需要進行實地試驗，以確保這種新型樹木能夠生長成熟，并能承受現實世界的摧殘。木質素不僅能幫助樹木抵御風暴，還能保護它們免受昆蟲的侵害，這對溫室里的樹木來說就不是問題了。Zeidler注意到，一些經過編輯的枝條并沒有長成和普通楊樹一樣的體積。
轉基因樹木還需要通過監管機構的審查。然而，Barrangou指出，經過基因改造的楊樹不含任何轉基因，也不含來自其他生物的基因。CRISPR僅用于消除樹木已經攜帶的基因或減少其表達。
Wang和Barrangou創立了一家名為TreeCo的子公司。他們的目標是盡快開始對CRISPR編輯過的楊樹進行田間試驗，并努力將類似的基因編輯引入桉樹和松樹中，這兩種樹木也被廣泛用于造紙。
