Трансформация деревьев в источник биотоплива — процесс крайне трудный и дорогостоящий. В 2007 году Министерство энергетики США (DOE) поддержало несколько производителей целлюлозного этанола, которые изготавливали продукт из растительных отходов. Однако, несмотря на поддержку со стороны государства, дела не пошли в гору: от обещанных шести миллиардов литров к 2014 году ежегодно удаётся производить лишь 1%.
Проблема заключается всего в одном химическом веществе — лигнине. Более чем две трети растительного материала состоит из целлюлозы и гемицеллюлозных волокон, молекулы которых представляют собой длинные цепи глюкозы и других сахаров. Но подавляющее большинство остального состава приходится на лигнин, который встроен между волокнами и склеивает их вместе. Это соединение обеспечивает стволу дерева жёсткость и предотвращает нашествие вредителей, желающих полакомиться сахарами.
Как правило, чтобы удалить это вещество, биомассу нагревают до 170 °С в течение нескольких часов и добавляют гидроксид натрия или другие щелочные соединения, которые разрушают структуру лигнина. Стоимость такой обработки составляет от четверти до трети от общей стоимости производства целлюлозного этанола.
В течение нескольких десятилетий ботаники пытались разрешить эту проблему. Одна из первых идей, опробованных учёными — подавление экспрессии генов деревьев, ответственных за выработку лигнина. Это не привело к положительным результатам: у растений наблюдалась задержка роста, а при первом порыве ветра они ломались, словно иссохшие прутики.
Ведущий автор нового исследования химик и ботаник Джон Ральф (John Ralph) из университета Висконсина-Мэдисона, вместе со своими коллегами занимался изучением состава лигнина, который, к слову, не у всех растений одинаков. В основном это вещество состоит из трёх основных строительных блоков: кониферилового спирта, синапилового спирта и p-кумарильного спирта, образующих цепочки из G-лигнина, S-лигнина и Н-лигнина, соответственно.
Вместо того чтобы менять пропорции строительных блоков лигнина, как поступают многие учёные, Ральф и его коллеги добавили новый строительный блок − феруловую кислоту, которая связывается с конифериловым и синапиловым спиртом. Эти пары затем связываются с соседствующими соединениями и становятся более подверженными разрушению.
Идея заключалась в том, чтобы создать такие пары по всей структуре лигнина и затем разрушить его во время предварительной обработки.
На реализацию эксперимента потребовалось несколько лет. Учёным пришлось вычленить гены, ответственные за синтез феруловой кислоты, «подарить» их растениям, продемонстрировать, что растения способны производить это соединение и получить в итоге деревья с легко разрушающимся лигнином.
Теперь, когда статья Ральфа и его коллег вышла в журнале Science, техника отточена почти до совершенства. Молодые тополя, которые растут в теплице в лаборатории, выглядят крепкими и здоровыми. Но когда деревья срубают, измельчают и нагревают до 100 °С, высвобождается вдвое больше сахаров, чем при обработке обычных деревьев.
В данный момент биоинженеры занимаются адаптацией своей технологии под кукурузу. Таким образом они надеются сэкономить массу средств компаниям-производителям целлюлозного биотоплива. К тому же, это может породить новое поколение технологий получения топлива из биомассы, которые превратят растительную целлюлозу в пластмассу и другие промышленные материалы.
Читайте также: Новости России и мира.