科學家對樹木進行基因改造 降低製漿造紙難度

將來的某一天，使用樹木製漿造紙所需耗費的能量將遠遠少於現在，這要感謝美國科學家利用一種來自中藥材的基因對樹木進行的基因改造。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素──起到強化細胞壁的作用──使其更容易被工業化學品分解。研究發現刊登在《科學》雜誌上。

木質素是一種聚合物，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有關。在使用植物造紙過程中，木質素必須被溶解，方式是將其分解成碎片。通過這種處理，最後製成的紙就只有纖維素。不過，溶解木質素並不是一件容易的事情，尤其是軟木材的木質素。拉爾夫表示：“如果想分解木質素，你必須撕裂木質素‘脊骨’中的一些連結部位。即便是最容易撕裂的連結部位，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，打破這些連結部位是一件很睏難的事情。”

在早期進行的試管研究中，拉爾夫和同事發現如果改變木質素“脊骨”的結構，便可降低分解這種聚合物的難度。他說：“為了降低使用化學手段分解木質素的難度，我們需要對這種聚合物進行了重新設計，使其更容易降解。”為了做到這一點，研究人員在木質素單體中加入酯鍵。拉爾夫說：“使用苛性鈉分解酯只需要達到室溫。”現在，拉爾夫和同事成功培育出含有這種被改造的木質素的白楊。他說：“我們的研究結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黴，形成新單體。在中藥當歸的根部，他們找到了這種天然形成的黴。當歸學名“Angelica sinensis”，用於治療婦科病。這種黴產生的含有酯鍵的單體可充當一種防禦性化合物，而不是形成木質素。在這種黴中，他們找到了起作用的基因，而後利用工程學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生木質素的白楊細胞中進行表達。在接受基因工程學改造的白楊長到一歲時，拉爾夫等人砍到白楊並進行檢測，以確定是否存在經過改造的木質素。得到肯定的答案之後，他們將白楊木粉碎制漿，結果發現這種木質素很容易分解。

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

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

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