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Jun 30, 2023

Rivestire di legno! Editing CRISPR multiplex per la produzione sostenibile di fibre di legno

Rodolphe Barrangou, PhD, e Jack P. Wang, PhD, di TreeCo e della North Carolina State University hanno pubblicato un approccio per la produzione sostenibile di fibre con notevoli efficienze operative,

Rodolphe Barrangou, PhD, e Jack P. Wang, PhD, di TreeCo e della North Carolina State University hanno pubblicato un approccio per la produzione sostenibile di fibre con notevoli efficienze operative, creazione di valore bioeconomico e benefici ambientali tangibili

Credito: borchee / E+ / Getty Images

Decenni di lavoro dei genetisti degli alberi si stanno ora scontrando con l’intelligenza artificiale e il multiplex CRISPR per superare un importante ostacolo alla produzione sostenibile di fibre di legno, migliorando al tempo stesso le proprietà del legno. I loro risultati offrono la promessa di rendere la produzione di fibre per un’ampia gamma di prodotti – dal cartone e carta ai pannolini e all’abbigliamento – più ecologica, più economica e più efficiente.

"Il [legno modificato da CRISPR] che abbiamo realizzato può avere un impatto enorme sulle operazioni industriali e sulla costruzione della bioeconomia", ha affermato il co-autore senior Rodolphe Barrangou, PhD, professore presso il Dipartimento di scienze alimentari, bioprocessi e nutrizione dell'Università del Nord La Carolina State University (NCSU), ha detto al GEN. “I vantaggi finanziari, operativi e ambientali sono reali e speriamo che diano un senso di urgenza e slancio a molti dei nostri colleghi, agenzie governative, investitori, innovatori e imprenditori”.

Barrangou e colleghi hanno riferito del loro sviluppo in un articolo intitolato “Modifica Multiplex CRISPR del legno per la produzione sostenibile di fibre”, su Science.

Il co-autore senior Jack P. Wang, professore al College of Natural Resources dell'NCSU e co-fondatore di TreeCo, ha affermato che l'importanza degli alberi per l'ambiente e come nostra principale fonte di materiali e risorse naturali e il più grande deposito biologico di carbonio sulla terra significa che devono essere utilizzati in modo responsabile. Sono pilastri degli ecosistemi e della bioeconomia. Nella Carolina del Nord, la silvicoltura contribuisce con oltre 35 miliardi di dollari all’economia locale e sostiene circa 140.000 posti di lavoro.

Ecco perché Wang ritiene che sia sconcertante il motivo per cui i materiali genetici degli alberi utilizzati a livello globale per materiali fibrosi sostenibili provengano principalmente da alberi addomesticati.

“Se si pensa a quanta strada ha fatto l’agricoltura, in generale, e a quanta strada ha fatto la terapeutica, ci sono sostanziali opportunità nella silvicoltura per apportare benefici tangibili che potrebbero rendere le nostre risorse naturali molto più efficienti, produttive, sostenibili e di maggiore qualità. qualità”, ha detto Wang.

La capacità di isolare in modo efficiente le fibre cellulosiche desiderate dal legno è in gran parte determinata dal contenuto e dalla composizione della lignina nel legno. L’addomesticamento degli alberi forestali per una bioeconomia delle fibre più sostenibile è stato a lungo ostacolato dalla complessità e dalla plasticità della lignina, un biopolimero del legno recalcitrante alla degradazione chimica ed enzimatica.

Negli ultimi 50 anni, i ricercatori hanno studiato i singoli componenti della biosintesi della lignina per aiutare a comprendere come i cambiamenti possano influenzare il contenuto e la composizione della lignina in diverse specie vegetali. Tuttavia, gran parte del lavoro si è concentrato prevalentemente sulla modifica di singoli geni o famiglie di geni, mentre gli effetti combinatori delle perturbazioni multigeniche sono rimasti sfuggenti.

Decenni di ricerca nel laboratorio di Wang e dei suoi predecessori Ronald R. Sederoff, PhD, e Vincent L. Chiang, PhD, autori dell'articolo di ricerca su Science, hanno generato grandi quantità di dati genetici e omici che sono stati elaborati con l'intelligenza artificiale per prevedere e poi selezionare più di 69.000 diverse strategie di modifica genetica multigenica mirate a 21 importanti geni associati alla produzione di lignina.

"[Gli alberi] sono organismi molto complessi che possono prosperare per centinaia di anni, quindi la loro genetica è difficile da capire", ha detto Wang. “Ecco perché avevamo bisogno di quel modello di apprendimento automatico per decifrare e comprendere realmente la regolazione genetica delle informazioni e quindi modificarle utilizzando CRISPR in modi che possano produrre materiali legnosi compatibili con i processi industriali o la conversione in prodotti utili”.

Il team di ricerca ha utilizzato modelli predittivi per fissare obiettivi di riduzione dei livelli di lignina, aumento del rapporto carboidrati/lignina (C/L) e aumento del rapporto di due importanti elementi costitutivi della lignina, siringile e guaiacile (S/G), nei pioppi. Queste caratteristiche chimiche combinate rappresentano un punto debole nella produzione di fibre, suggeriscono i ricercatori. Le efficienze riscontrate nella produzione di fibre potrebbero anche ridurre i gas serra associati alla produzione di pasta fino al 20% se si ottenessero una riduzione della lignina e un aumento dei rapporti C/L e S/G negli alberi su scala industriale.