遺伝子組み換え樹木はより持続可能な木材を意味する可能性がある

気候変動と戦う最も効率的な解決策の 1 つは、裏庭で木を育てることかもしれません。木は空気中の二酸化炭素を除去し、同時に酸素を放出するために不可欠です。推定によると、成木は 1 年に大気中の二酸化炭素を 48 ポンド以上吸収しますが、まだ改善の余地があります。今日、科学誌Scienceに発表された研究では、化学者、エンジニア、環境科学者の学際的なチームが、持続可能な未来の創造に木をさらに貢献する方法を最適化しています。

そのために、彼らは樹木の遺伝子構造を詳しく調べている。「一般の人々は、樹木が社会や炭素排出削減に及ぼす影響について十分に理解したり、評価したりしていないと思います。この重要な資源の遺伝子構造を理解することは重要です。特に、私たちの購買経済にとって重要な繊維を生産するために重要です」と、ノースカロライナ州立大学の博士研究員で、この研究の筆頭著者であるダニエル・スリス氏は言う。

スリス氏と彼の同僚は、遺伝子編集を利用して木材繊維生産のプロセスを効率化する初めての試みに成功した。著者らはポプラの遺伝子を改変し、木に堅固で木質の構造を与える骨格として機能する有機成分であるリグニンの量を減らした。木が生成するこの硬い構造材料の量を減らすことで、紙の生産にかかる時間が短縮され、その結果、汚染も減少する。

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「私たちは何十年もリグニンを研究してきましたが、木材内部のポリマーの複雑さのため、生産のための加工用途に適合する方法で変更するのは非常に困難です」と、ノースカロライナ州立大学天然資源学部の助教授で、この研究の著者の一人であるジャック・ワン氏は言う。

再生可能なティッシュペーパーやその他の製品を作るには、木材に含まれるリグニンを切断し、有害な化学物質で溶解する必要があります。これはエネルギーを大量に消費するプロセスであり、リグニンが燃焼すると二酸化炭素が放出され、大気中に排出される可能性があります。

現在の研究では、研究チームは、特定の DNA セグメントを切断して修正する分子ハサミである CRISPR を使用して、リグニン レベルを減らし、炭水化物を増やすというアイデアを採用しました。セルロースなどの炭水化物は、紙製品に加工されるため、望ましいものです。

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研究チームは機械学習の予測モデルを使用して、70,000 通りの遺伝子編集戦略と潜在的なターゲットを 350 通り未満に絞り込んだ。どの戦略が繊維生産に適した木材を生み出すかを調べるための追跡実験の結果、著者らは 7 つの戦略を選択し、そのほとんどすべてが複数の遺伝子をターゲットにしていた。

彼らの目標は、自然界に見られるものよりリグニンが 35 パーセント少ない木を作ること。また、炭水化物とリグニンの比率を、編集されていない木より 200 パーセント高くすることを目指しました。CRISPR 遺伝子編集により、彼らは 174 種類の異なるポプラの木を作り、それを温室で 6 か月間育てました。

6か月後に木質成分を分析したところ、木に含まれるリグニンが減少していることが判明した。木によっては、通常のポプラの半分の量しかなかった。また、炭水化物とリグニンの含有量は228パーセント増加していた。

「リグニン含有量を正確に制御する能力により、紙や高度な加工木材に木材繊維を使用する新しいプロセスが可能になります」とメリーランドエネルギーイノベーション研究所の材料イノベーションセンターのディレクターで、木材のセルロースを加工する新しいアプローチに関する研究を発表しているが、今回の研究には関与していないリャンビン・フー氏は言う。「たとえば、リグニンを減らした加工木材を使用したパルプ生産は、気候変動の緩和に大きなメリットをもたらす可能性があります。」

研究チームの分析によると、リグニン含有量が少ないポプラの木は、繊維生産の二酸化炭素排出量を20％以上削減できる可能性があるという。「これは、我が国の経済の持続可能性効率に有益であるだけでなく、この素材をより環境に優しい方法で生産するための解決策を生み出す技術であることが判明しました」と王氏は付け加えた。

再生可能なティッシュ、ペーパータオル、繊維など、より環境に優しい製品を社会が求めるにつれて、木材繊維の需要は高まっている。遺伝子編集された木はより多くの製品を生産する可能性がある。研究の別の分析では、リグニンの少ない木は持続可能な繊維を40％多く生産できると推定されている。

次のステップは、この遺伝子編集戦略を、製紙によく使われるトウヒやマツなどの他の広葉樹に適用することです。木材がリグニンを生成する仕組みは、複数の樹種でほぼ同じであるため、この技術を他の樹種で試すことも可能だとワン氏は言います。チームが追求しているもう 1 つの方向性は、これらの樹木を広大な畑に植え、編集された樹木が環境とどのように相互作用するかを観察し、樹木がどのように行動し、自立していくかを測定することです。

こうした木々が繊維生産に使えるほど成長するまでには長い時間がかかるため、社会でこうした木々がもっと見られるようになるのは2040年頃になるとワン氏は言う。さらに、遺伝子編集された蚊の放出に対する懸念が示すように、地元の支援が不可欠となるだろう。この技術を責任を持って成功裏に応用するには、「私たちが行うことはすべて、政府の規制だけでなく、一般の人々の受け入れや業界の利益にも完全に合致していることを確認する必要があります」とワン氏は言う。