樹木基因改造有望降低制漿造紙難度

澳大利亞廣播公司(ABC)報道，在將來的某一天，使用樹木制漿造紙所需耗費的能量將遠遠少于現(xiàn)在，這要感謝美國科學(xué)家利用一種來自中藥材的基因?qū)淠具M行的基因改造。此項研究由美國能源部大湖生物能研究中心的生物化學(xué)家約翰-拉爾夫及其同事進行。拉爾夫表示這種基因能夠改變木質(zhì)素——起到強化細胞壁的作用——使其更容易被工業(yè)化學(xué)品分解。研究發(fā)現(xiàn)刊登在《科學(xué)》雜志上。

木質(zhì)素是一種聚合物，與纖維素一起增加植物細胞壁的強度，木頭的強度便與這種物質(zhì)有關(guān)。在使用植物造紙過程中，木質(zhì)素必須被溶解，方式是將其分解成碎片。通過這種處理，最后制成的紙就只有纖維素。不過，溶解木質(zhì)素并不是一件容易的事情，尤其是軟木材的木質(zhì)素。拉爾夫表示：“如果想分解木質(zhì)素，你必須撕裂木質(zhì)素‘脊骨’中的一些連結(jié)部位。即便是最容易撕裂的連結(jié)部位，使用1摩爾苛性鈉也需要在170攝氏度溫度下耗時兩個小時左右。如果使用酸，溫度需達到200攝氏度。可見，打破這些連結(jié)部位是一件很困難的事情。”

在早期進行的試管研究中，拉爾夫和同事發(fā)現(xiàn)如果改變木質(zhì)素“脊骨”的結(jié)構(gòu)，便可降低分解這種聚合物的難度。他說：“為了降低使用化學(xué)手段分解木質(zhì)素的難度，我們需要對這種聚合物進行了重新設(shè)計，使其更容易降解。”為了做到這一點，研究人員在木質(zhì)素單體中加入酯鍵。拉爾夫說：“使用苛性鈉分解酯只需要達到室溫。”現(xiàn)在，拉爾夫和同事成功培育出含有這種被改造的木質(zhì)素的白楊。他說：“我們的研究結(jié)果顯示可以在植物身上做到這一點。”

拉爾夫表示他們的第一步是找到一種含有特定基因的酶，形成新單體。在中藥當(dāng)歸的根部，他們找到了這種天然形成的酶。當(dāng)歸學(xué)名“Angelicasinensis”，用于治療婦科病。這種酶產(chǎn)生的含有酯鍵的單體可充當(dāng)一種防御性化合物，而不是形成木質(zhì)素。在這種酶中，他們找到了起作用的基因，而后利用工程學(xué)手段將這種基因植入白楊。

研究中，他們利用一種啟動子序列確保這種基因只在產(chǎn)生木質(zhì)素的白楊細胞中進行表達。在接受基因工程學(xué)改造的白楊長到一歲時，拉爾夫等人砍到白楊并進行檢測，以確定是否存在經(jīng)過改造的木質(zhì)素。得到肯定的答案之后，他們將白楊木粉碎制漿，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種木質(zhì)素很容易分解。

拉爾夫表示如果采用含有這種木質(zhì)素的木材造紙，所需耗費的時間更短，所需達到的溫度也更低，進而節(jié)省造紙消耗的能源。培育出更容易分解的木質(zhì)素也能夠讓生物燃料業(yè)受益。經(jīng)過基因改造的植物與野生植物沒有本質(zhì)差異，因此不會影響微生物分解木質(zhì)素的方式。他說：“植物的天然降解方式與我們采用的化學(xué)降解方式截然不同。”

拉爾夫指出酯具有生物學(xué)穩(wěn)定性，雖然使用強效化學(xué)物質(zhì)很容易將其分解。因此，這種基因改造不太可能影響樹木的強度。在證實這些猜測前，他們還需要進行野外實驗。研究人員希望將來自當(dāng)歸的可改造木質(zhì)素的基因植入生物燃料作物以及其他用于造紙的樹種，尤其是軟木。

在中藥當(dāng)歸的根部，科學(xué)家找到一種天然形成的酶，酶中的一種基因可降低分解木質(zhì)素的難度，進而降低制漿造紙的難度。科學(xué)家表示如果采用含有這種木質(zhì)素的木材造紙，所需耗費的時間更短，所需達到的溫度也更低，進而節(jié)省造紙消耗的能源。