A papírtermékek napjainkban a zöld megoldások gerincét alkotják, és azt hihetnénk, hogy nincs is környezetbarátabb megoldás náluk. Elvégre újrahasznosíthatóak, biológiailag lebomlanak és megújuló forrást képeznek, hiszen fő összetevőjük, a cellulóz szó szerint a fákon nő. A cellulóz különválasztása a növényben lévő más anyagoktól, például a lignin nevű merev faanyagtól, ugyanakkor súlyos környezeti terheléssel jár. A papírgyárak évente több millió tonna vegyi hulladékot termelnek és több mint 150 millió tonna üvegházhatású gázt bocsátanak ki.

A Science oldalain azonban a napokban megjelent egy tanulmány, amelyben a kutatók arról számolnak be, hogy módot találtak e teher csökkentésére. CRISPR génszerkesztő eszközök segítségével olyan mesterséges nyárfákat kezdtek termeszteni, amelyek a szokásosnál jóval kevesebb lignint tartalmaznak. Érvelésük szerint ezeknek a fáknak a felhasználása csökkentheti a papírgyártás okozta szennyezést, miközben dollármilliárdokat takaríthat meg az iparnak.

A papírgyártás során a fát először is apró forgácsokra darálják. A gyorsan növő nyárfa népszerű forrása ennek a forgácsnak, amelyhez aztán vizet és vegyszereket adnak, hogy a kemény ligninstruktúrákat feldarabolják. Ettől különválasztják a cellulózszálakból álló pépet, amelyet papírrá préselnek és szárítanak. A kutatók már korábban is próbáltak alacsonyabb lignintartalmú fákat nemesíteni és génszerkeszteni, de az eredmények visszafogottak voltak.

Ennek részben az volt az oka, hogy a lignin három előanyagból áll össze egy komplex folyamat során, amelyet 11 géncsalád és több száz genetikai és metabolikus szabályozó elem szabályoz. A korábbi kutatások inkább az egyes gének és géncsaládok módosítására összpontosítottak, hogy a lignin könnyebben lebonthatóvá váljon, mintsem a lignintermelést szabályozó rendszer átfogó megváltoztatására.

A CRISPR génszerkesztés egyszerűsége azonban új lehetőségeket teremtett a kutatócsoportnak arra, hogy megpróbálkozzanak egy mélyebb beavatkozással. Jack Wang és Rodolphe Barrangou, az Észak-Karolinai Állami Egyetem biotechnológusai és tucatnyi kollégájuk több évtizedes erdei biotechnológiai tanulmányokra alapozva létrehoztak egy számítógépes modellt, hogy megjósolják, hogyan befolyásolhatja a nyárfák lignintermeléssel kapcsolatos génjeinek egyidejű megváltoztatása a faanyag összetételét, a fák növekedési ütemét és más tényezőket.

Közel 70 ezer különböző génszerkesztési kombináció kiértékelése után megállapították, hogy a változtatások 99,5%-a káros lenne. Azonban azonosítottak 347 kombinációt, amelyek mindegyike tartalmazott egy maroknyi egyedi génváltozást, amelyekről úgy tűnt, hogy biztonságosan növelik a cellulóz mennyiségét, csökkentik a ligninét, vagy mindkettőt megvalósítják, és így javítja a fák papírgyártási potenciálját.

A kutatócsoport a CRIPSR génszerkesztési eljárás segítségével el is végezte a 174 legígéretesebb kombinációhoz tartozó génmódosításokat, majd ezeket a módosított fákat üvegházban kezdte termeszteni. Hat hónap elteltével a legígéretesebb fajták lignintartalma 49,1%-kal alacsonyabb volt, a cellulóz ligninhez képesti mennyisége pedig 228%-kal magasabb a megszokottnál. Ha egy tipikus papírgyárban ezeket a fajtákat használnák, a kutatócsoport számításai szerint 40%-kal nőne a papírtermelés, 20%-kal csökkenne az üvegházhatást okozó gázok kibocsátása, nem is beszélve a bevételnövekedésről.

A munka ugyanakkor az ígéretes eredmények ellenére sem ért véget. A következő időszakban további kísérleteket kell végezni, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az újfajta fák képesek teljesen kifejlődni és ellenállni a szabadban fennálló környezeti hatásoknak. A lignin nemcsak a szélviharok ellen segít a fáknak, hanem megvédi őket a rovaroktól is, ami az üvegházi fák esetében kevésbé jelentett problémát. És a génszerkesztett fajták némelyike a vizsgált időszakban nem nőtt olyan nagyra, mint a hagyományos nyárfák, mondják a kutatók.

A módosított fáknak a szabályozó hatóságok követelményeinek is meg kell felelniük. Barrangou ennek kapcsán ugyanakkor leszögezi, hogy a módosított nyárfák nem tartalmaznak más szervezetekből származó géneket. A CRISPR-t csak arra használták, hogy a fák által már hordozott géneket vagy kiiktassák, vagy csökkentsék azok kifejeződését, ami valószínűleg megkönnyíti majd a hatósági elfogadáshoz vezető utat is, legalábbis az Egyesült Államokban, mondja Barrangou.

Wang és Barrangou létrehoztak egy TreeCo nevű céget, amellyel a CRISPR-rel módosított nyárfák szántóföldi kísérleteinek mielőbbi megkezdését tűzték ki célul, illetve hasonló génszerkesztések megvalósításán kezdtek dolgozni a papírgyártásra szintén széles körben használt eukaliptusz- és fenyőfák esetében is.