Vylepšené rostliny se snadněji dostupnými cukry
Datum: 6.10.2010
Rostliny podle všeho, co víme, nejspíše původně nepočítaly s tím, že budou sloužit jako cenný zdroj surovin a energie pro lidskou společnost. Jejich potenciál je v tomto směru veliký, ale nejde to úplně snadno. Nezbývá nám, než se s tím smířit a nalézt schůdné technologie, které nám umožní biotechnologické poklady z rostlin v rozumné míře těžit a využívat. V tomto směru se samozřejmě ihned nabízejí kreativní genetické manipulace, k jejich spuštění ale nejprve musíme pochopit, jak vlastně rostliny uvnitř fungují.
Se zajímavým objevem nedávno přišel Paul Dupree a tým jeho spolupracovníků z britské University of Cambridge a Centra pro Udržitelnou bioenergii (Sustainable Bioenergy Centre), které je součástí britské vládní agentury podporující výzkum Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC). Povedlo se jim totiž u huseníčku (Arabidopsis thaliana) odhalit geny pro dva enzymy, které svým působením významně zpevňují rostlinná pletiva, jako například dřevo nebo slámu, z nichž je pak obtížné získat vytoužené produkty pro další zpracování. Podle studie uveřejněné nedávno v prestižních Proceedings of the National Academy of Sciences (Mortimer et al. 2010) jde o zřejmě o dvě glykosyltransferázy, čili jednoduše řečeno enzymy katalyzující úpravu molekul cukrů, pojmenované GUX1 a GUX2, které uvnitř buněk fungují v Golgiho aparátu a mají zde na starost úpravu molekul složitých konstrukčních polysacharidů xylanů, vylučovaných do stěn buněk stonku huseníčků.
Podle Dupreeho je vlastně dřevo a podobné rostlinné materiály zlatým dolem energie, která je ukryta v lignocelulóze, čili nepřehledné směsi biopolymerů na bázi cukrů. Ta rostlinám vyztužuje buněčné stěny a tím vlastně celé tělo, s nimiž musí čelit všem nástrahám okolního světa. Jde jenom o to, jak lignocelulózu rozumným způsobem dostat ven a vyrobit z ní dejme tomu jednodušší cukry, které už umíme poměrně slušně využít, například k produkci bioetanolu. Jednu z hlavních složek lignocelulózy představuje právě xylan, který zahrnuje zhruba třetinu cukrů obsažených ve dřevě. Ty jsou ale za normálních okolností velmi nedobytné, což je k vzteku, protože tyto cukry obvykle nejíme a nejsou tudíž jako zdroj energie příliš kontroverzní.
Jak Dupree trefně poznamenal, není samozřejmě příliš chytré snažit se vypěstovat měkké a poddajné rostliny, které by byly nejspíše tak choulostivé, že by se na ně stačilo křivě podívat a už by byla celá úroda nenávratně ztracena. Proto se Dupreeho tým snažil vytvořit rostliny, z nichž bylo snazší dostat cukry, ale které by přitom jinak víceméně normálně rostly a bez obav se vypořádaly s větrem, deštěm i všelijakými herbivory a patogeny. Nikoho by nemělo překvapit, že si jako pokusnou rostlinu zvolili huseníček Thalův, který sice není zrovna moc jedlý, ale bohatá historie výzkumu a ohromující prozkoumanost genomu ho předurčují jako ideální model pro prakticky každý takový výzkum mezi kvetoucími rostlinami. Badatelé nakonec úspěšně vytvořili rostliny s dvojicí mutovaných genů gux1 a gux2, které byly sice o něco slabší, než běžné huseníčky, ale jinak rostly normálně a bez potíží dosáhly standardní velikosti rostlin svého druhu. Vtip je pochopitelně v tom, že veškerý xylan z těchto huseníčků lze přeměnit na využitelné cukry mnohem snadněji a nepochybně i laciněji.
Dalším logickým krokem bude vývoj nových variet bioenergetických plodin, například svižně rostoucích vrb (Salix) nebo východoasijské okrasné i invazní trávy ozdobnice čínské (Miscanthus sinensis). Je totiž nutné vyzkoušet, jestli se vylepšené rostliny s mutovanou dvojicí genů gux1 a gux2 vůbec dají ekonomicky zajímavým způsobem pěstovat a taky by bylo jistě k věci přizpůsobit těmto rostlinám existující technologie výroby biopaliv z rostlinných zbytků. Huseníčky jsou poměrně drobné a je samozřejmě otázkou, jak se zmutované geny pro úpravy xylanu projeví u výrazně mohutnějších rostlin. Dupree a spol. chtějí v tomto směru úzce spolupracovat s průmyslově orientovanými firmami a zajistit tak co nejsnazší průnik nově vytvořených genetických manipulací do světa reálných aplikací.
Vývoj zmutovaných huseníčků je součástí ambiciózní programu Cukry buněčných stěn (Cell wall sugars), který pod vedení Paula Dupreeho financuje Biotechnology and Biological Sciences Research Council a spolupracují na něm Sustainable Bioenergy Centre, University of Cambridge, Newcastle University a Novozymes A/G. Kromě aktuálního úspěšného vytvoření huseníčků s mutantními geny gux1 a gux2 se jim v zimě 2010 podařilo v huseníčku prostřednictvím trojice genů CSLA2, CSLA3 a CSLA9 z rodiny celulóz-syntáz měnit obsah ve vodě rozpustného polysacharidu glykomananu. Tyto změny nezpůsobily žádnou pozorovatelnou újmu na růstu huseníčků nebo na tloušťce stěn jejich buněk, na druhou stranu ale nepříznivě ovlivnily vývoj semen. Nedostatek i přebytek glykomananu nakonec způsobily smrt embryí. Pokud by se badatelům v budoucnosti povedlo cíleně zvýšit obsah relativně snadno využitelného glykomananu jenom v konkrétních částech rostliny mimo semena, bylo by to velmi zajímavé pro šlechtitele bionergetických plodin. Výzkumný program Cukry buněčných stěn jako celek směřuje k pochopení genetické regulace složení rostlinných buněčných stěn, především pokud jde o cukry, dále k objevu a využití enzymů, které by uvolňovaly cukry ukryté v těchto buněčných stěnách a zároveň i k vývoji praktických technologií usnadňujících průmyslové zpracování cukrů ze stěn rostlinných buněk. Veškeré jejich snažení by samozřejmě měly korunovat nové variety vysoce efektivních bioenergetických plodin, které budou poskytovat ekonomicky zajímavé biopalivo.
Dupreeho geneticky upravené huseníčky jsou dalším příkladem ohromujících možností, které se nám v Evropě nabízejí, pokud se odhodláme překročit vlastní stín a konečně se velkoryse pustíme do genetických vylepšení energetických i jiných plodin. Evoluce je sice mocná čarodějka a dokáže vytvořit pozoruhodné věci, na zájmy naší civilizace ale bohužel nemusí brát ohledy. Proto si musíme poradit sami a už teď k tomu máme docela slušné nástroje. Nejde přitom jenom o biopaliva, s pomocí rostlin by samozřejmě bylo možné po jistém úsilí nahradit i další ropné produkty, včetně ohromného spektra umělých hmot.
Autor: RNDr. Stanislav Mihulka Ph.D, PřF JU, České Budějovice
Použité zdroje:
(orig.) Mortimer et al. 2010. PNAS online 17.9. 2010.
BBSRC Sustainable Bioenergy Centre News 13.9. 2010.
Obrazové přílohy:
Ozdobnice čínská
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/69/Miscanthus_sinensis_ja01.jpg
Huseníček Thalův
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Arabidopsis_thaliana.jpg
vrby, energetické rostliny
http://www.bsbec.bbsrc.ac.uk/images/index.html#0
68
