CRISPR 유전자 편집으로 더 나은 숲 나무 만들기

North Carolina State University의 연구원들은 CRISPR 유전자 편집 시스템을 사용하여 목재 섬유의 지속 가능한 생산에 대한 주요 장벽인 리그닌 수치를 낮추고 목재 특성을 개선한 포플러 나무를 육종했습니다. 연구 결과 — 저널에 게재 과학 — 종이에서 기저귀에 이르기까지 모든 것을 위한 섬유 생산을 더욱 친환경적이고 저렴하며 효율적으로 만들겠다는 약속을 지키십시오.

NC State CRISPR 선구자 Rodolphe Barrangou와 나무 유전학자 Jack Wang이 이끄는 연구원 팀은 예측 모델링을 사용하여 리그닌 수준을 낮추고, 탄수화물 대 리그닌(C/L) 비율을 높이고, 두 가지 중요한 리그닌 건물의 비율을 높이는 목표를 설정했습니다. 블록 — syringyl to guaiacyl (S/G) — 포플러 나무에서. 이러한 결합된 화학적 특성은 섬유 생산 스위트 스팟을 나타낸다고 Barrangou와 Wang은 말합니다.

“우리는 CRISPR을 사용하여 보다 지속 가능한 숲을 만들고 있습니다. “CRISPR 시스템은 단일 유전자 또는 유전자군 이상을 편집할 수 있는 유연성을 제공하여 목재 특성을 크게 개선할 수 있습니다.”

기계 학습 모델은 리그닌 생산과 관련된 21개의 중요한 유전자(일부는 한 번에 여러 유전자를 변경함)를 대상으로 거의 70,000개의 서로 다른 유전자 편집 전략을 예측하고 분류하여 347개의 전략에 도달했습니다. 이러한 전략의 99% 이상이 최소 3개의 유전자를 표적으로 삼았습니다.

거기에서 연구원들은 모델링이 제안한 7가지 최상의 전략을 선택하여 화학적 스위트 스폿에 도달할 수 있는 나무를 만들었습니다. 야생 나무보다 200% 이상 높은 C/L 비율; 야생 나무보다 200% 이상 높은 S/G 비율; 야생 나무와 유사한 나무 성장률.

이 7가지 전략에서 연구원들은 CRISPR 유전자 편집을 사용하여 174줄의 포플러 나무를 생산했습니다. NC 주립 온실에서 6개월 후, 해당 나무를 조사한 결과 일부 품종에서는 리그닌 함량이 최대 50%까지 감소했으며 다른 품종에서는 CL 비율이 228% 증가한 것으로 나타났습니다.

흥미롭게도 연구원들은 3개의 유전자 편집이 있는 나무가 최대 32%의 리그닌 감소를 보였음에도 불구하고 4~6개의 유전자 편집이 있는 나무에서 더 중요한 리그닌 감소가 나타났다고 말했습니다. 단일 유전자 편집은 리그닌 함량을 전혀 줄이는 데 실패했으며 CRISPR을 사용하여 다중 유전자 변경을 수행하면 섬유 생산에 이점을 부여할 수 있음을 보여줍니다.

이 연구에는 나무의 리그닌 함량 감소가 펄프 수확량을 증가시키고 펄프화의 주요 부산물인 소위 흑액을 감소시켜 공장이 최대 40% 더 지속 가능한 섬유를 생산하는 데 도움이 될 수 있음을 시사하는 정교한 펄프 생산 공장 모델도 포함되었습니다.

마지막으로 섬유 생산에서 발견된 효율성은 산업 규모의 나무에서 리그닌 감소와 C/L 및 S/G 비율 증가가 달성되면 펄프 생산과 관련된 온실 가스를 최대 20%까지 줄일 수 있습니다.

산림 나무는 지구상에서 가장 큰 생물 발생 탄소 흡수원을 나타내며 기후 변화를 억제하기 위한 노력에서 가장 중요합니다. 그것들은 우리 생태계와 바이오경제의 기둥입니다. 노스캐롤라이나에서 임업은 지역 경제에 350억 달러 이상을 기여하고 약 140,000개의 일자리를 지원합니다.

“다중 게놈 편집은 우리의 천연 자원이 기후 변화로 인해 점점 더 많은 도전을 받고 더 적은 토지를 사용하여 보다 지속 가능한 바이오 소재를 생산해야 할 필요성이 있는 시기에 산림 복원력, 생산성 및 활용을 개선할 수 있는 놀라운 기회를 제공합니다.”라고 조교수이자 이사인 Wang은 말했습니다. NC State의 Forest Biotechnology Group 소속이자 논문의 공동 교신 저자입니다.

다음 단계에는 야생 나무와 비교하여 유전자 편집 나무의 성능을 확인하기 위한 지속적인 온실 테스트가 포함됩니다. 나중에 팀은 유전자 편집 나무가 통제된 온실 환경 외부의 야외 생활에서 제공되는 스트레스를 처리할 수 있는지 여부를 측정하기 위해 현장 시험을 사용하기를 희망합니다.

연구자들은 NC 주립 대학 3곳, 여러 학과, NC 식물 과학 이니셔티브, NC 주의 분자 교육, 기술 및 연구 혁신 센터(METRIC) 및 파트너 대학을 아우르는 이 연구를 가능하게 한 다학제적 협력의 중요성을 강조했습니다.

“유전학, 컴퓨터 생물학, CRISPR 도구 및 생물경제학을 결합한 나무 육종에 대한 학제간 접근 방식은 나무 성장, 개발 및 산림 응용에 대한 우리의 지식을 크게 확장했습니다. 논문의 저자. “이 강력한 접근 방식은 나무 유전학의 복잡성을 풀고 섬유 생산의 탄소 발자국을 줄이면서 생태학적 및 경제적으로 중요한 목재 특성을 개선할 수 있는 통합 솔루션을 추론하는 우리의 능력을 변화시켰습니다.”

NC State에서 식물 과학 및 임업 분야의 오랜 혁신 유산을 기반으로 Barrangou와 Wang은 삼림 나무에서 CRISPR 기술의 사용을 발전시키기 위해 TreeCo라는 스타트업 회사를 설립했습니다. NC 주립 교수진이 주도하는 이 공동 노력은 나무 유전적 통찰력과 게놈 편집의 힘을 결합하여 더 건강하고 지속 가능한 미래를 낳는 것을 목표로 합니다.

여러 노스캐롤라이나 주 부서의 연구원들이 일리노이 대학교 어바나-샴페인, 베이화 대학교 및 동북 임업 대학교의 연구원들과 함께 이 논문을 공동 집필했습니다. 자금은 미국 농무부의 국립 식품 농업 연구소에서 제공했습니다 — 농업 및 식품 연구 이니셔티브 보조금 2018-67021-27716; 국립 과학 재단 소기업 기술 이전 프로그램 보조금 2044721; 미국 농무부의 협력 국가 연구 서비스 보조금 NCZ04214; 노스캐롤라이나 특화 작물 블록 보조금 19-019-4018, 19-092-4012 및 20-070-4013; NC 주립 대학 교육감 혁신 기금 보조금 190549MA; 그리고 NC 주립 대학 Goodnight Early Career Innovator Award를 수상했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230713141912.htm