NCSU: CRISPR 유전자 편집으로 더 나은 숲 나무 만들기
게시 날짜:노스 캐롤라이나 주립 대학의 연구원들은 CRISPR 유전자 편집 시스템을 사용하여 목재 섬유의 지속 가능한 생산에 대한 주요 장벽인 리그닌 수준을 줄인 포플러 나무를 육종하는 동시에 목재 특성을 개선했습니다. 연구 결과 – 저널에 게재됨 과학 – 종이부터 기저귀까지 모든 섬유 생산을 더욱 친환경적이고 저렴하며 효율적으로 만들겠다는 약속을 지키세요.
NC State CRISPR 선구자가 주도 로돌프 바랑구 그리고 나무 유전학자 잭 왕연구진은 예측 모델링을 사용하여 리그닌 수준을 낮추고, 탄수화물 대 리그닌(C/L) 비율을 높이며, 두 가지 중요한 리그닌 구성 요소인 시린길 대 구아야실(S/G)의 비율을 높이는 목표를 설정했습니다. 나무. 이러한 결합된 화학적 특성은 섬유 생산 최적점을 나타낸다고 Barrangou와 Wang은 말합니다.
"우리는 보다 지속 가능한 숲을 만들기 위해 CRISPR를 사용하고 있습니다"라고 Todd R. Klaenhammer 석좌 교수인 Barrangou는 말했습니다. 식품, 생물공정 및 영양과학 NC State의 연구원이자 논문의 공동 교신 저자입니다. "CRISPR 시스템은 단일 유전자나 유전자군 이상을 편집할 수 있는 유연성을 제공하여 목재 특성을 더 크게 개선할 수 있습니다."
기계 학습 모델은 리그닌 생산과 관련된 21개의 중요한 유전자(일부는 한 번에 여러 유전자를 변경함)를 대상으로 거의 70,000개의 다양한 유전자 편집 전략을 예측하고 분류하여 347개의 전략에 도달했습니다. 이러한 전략 중 99% 이상이 최소 3개의 유전자를 표적으로 삼았습니다.
거기에서 연구자들은 모델링이 제안한 7가지 최고의 전략을 선택하여 화학적 최적 지점(야생 또는 변형되지 않은 나무보다 리그닌이 적은 35%)을 얻을 수 있는 나무를 만들었습니다. 야생나무보다 200% 이상 높은 C/L 비율; 야생나무보다 S/G 비율도 200% 이상 높았습니다. 야생 나무와 유사한 나무 성장률.
이 7가지 전략에서 연구자들은 CRISPR 유전자 편집을 사용하여 174줄의 포플러 나무를 생산했습니다. NC 주립 온실에서 6개월을 보낸 후, 해당 나무를 조사한 결과 일부 품종에서는 리그닌 함량이 최대 50%까지 감소했고 다른 품종에서는 CL 비율이 228% 증가한 것으로 나타났습니다.
흥미롭게도 연구자들은 4~6개의 유전자 편집이 있는 나무에서 더 중요한 리그닌 감소가 나타났지만, 3개의 유전자 편집이 있는 나무에서는 최대 32%의 리그닌 감소가 나타났습니다. 단일 유전자 편집은 리그닌 함량을 전혀 줄이는 데 실패했으며, 이는 CRISPR를 사용하여 다중 유전자 변경을 수행하면 섬유 생산에 이점을 부여할 수 있음을 보여줍니다.
이 연구에는 또한 나무의 리그닌 함량이 감소하면 펄프 생산량이 증가하고 펄프화의 주요 부산물인 소위 흑액이 감소하여 공장에서 최대 40%의 지속 가능한 섬유를 생산하는 데 도움이 될 수 있음을 시사하는 정교한 펄프 생산 공장 모델도 포함되었습니다.
마지막으로, 산업 규모의 나무에서 리그닌 감소와 C/L 및 S/G 비율 증가가 달성된다면 섬유 생산에서 발견되는 효율성은 펄프 생산과 관련된 온실가스를 최대 20%까지 줄일 수 있습니다.
산림 나무는 지구상에서 가장 큰 생물학적 탄소 흡수원이며 기후 변화를 억제하려는 노력에서 가장 중요한 역할을 합니다. 그들은 우리 생태계와 바이오경제의 기둥입니다. 노스캐롤라이나에서 임업은 지역 경제에 $350억 이상 기여하고 약 140,000개의 일자리를 지원합니다.
왕(Wang) 조교수 겸 이사는 “다중 게놈 편집은 기후 변화로 인해 천연 자원이 점점 더 어려워지고 더 적은 토지를 사용하여 보다 지속 가능한 생체 재료를 생산해야 하는 상황에서 산림 탄력성, 생산성 및 활용도를 향상시킬 수 있는 놀라운 기회를 제공합니다”라고 말했습니다. NC 주립 산림 생명공학 그룹의 회원이자 논문의 공동 교신저자입니다.
다음 단계에는 유전자 편집 나무가 야생 나무와 비교하여 어떻게 수행되는지 확인하기 위한 지속적인 온실 테스트가 포함됩니다. 나중에 팀은 현장 시험을 통해 유전자 편집 나무가 통제된 온실 환경 외부의 야외 생활에서 제공되는 스트레스를 처리할 수 있는지 여부를 측정하기를 희망합니다.
연구원들은 이 연구를 가능하게 한 3개의 NC 주립대학, 여러 학과, NC 식물 과학 이니셔티브, NC 스테이트의 분자 교육, 기술 및 연구 혁신 센터(METRIC), 파트너 대학.
"유전학, 전산 생물학, CRISPR 도구 및 생물 경제학을 결합한 나무 육종에 대한 학제간 접근 방식은 나무 성장, 개발 및 산림 적용에 대한 우리의 지식을 근본적으로 확장했습니다."라고 NC State의 박사후 연구원이자 최초의 연구원인 Daniel Sulis는 말했습니다. 논문의 저자. "이 강력한 접근 방식은 나무 유전학의 복잡성을 풀고 섬유 생산의 탄소 배출량을 줄이면서 생태학적, 경제적으로 중요한 목재 특성을 개선할 수 있는 통합 솔루션을 추론하는 우리의 능력을 변화시켰습니다."
NC 주립 식물 과학 및 임업 분야의 오랜 혁신 유산을 바탕으로 Barrangou와 Wang은 스타트 업 회사 ~라고 불리는 트리코 산림 나무에서 CRISPR 기술의 사용을 발전시킵니다. NC 주립대학 교수진이 이끄는 이 공동 노력은 나무 유전적 통찰력과 게놈 편집의 힘을 결합하여 보다 건강하고 지속 가능한 미래를 만드는 것을 목표로 합니다.
노스캐롤라이나 주 여러 부서의 연구원들이 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스, 베이화 대학교, 북동 임업 대학교의 연구원들과 함께 이 논문을 공동 집필했습니다. 자금은 미국 농무부의 국립 식품 농업 연구소 – 농업 및 식품 연구 이니셔티브 보조금 2018-67021-27716에서 제공되었습니다. 국립과학재단(National Science Foundation) 중소기업 기술 이전 프로그램 보조금 2044721; 미국 농무부의 국가 협력 연구 서비스 보조금 NCZ04214; 노스캐롤라이나 특수 작물 블록 보조금 19-019-4018, 19-092-4012 및 20-070-4013; NC 주립대학교 총장 혁신 기금 보조금 190549MA; NC 주립대학교 Goodnight Early Career Innovator Award를 수상했습니다.
-쿨리코스키-
편집자 참고 사항: 논문의 초록은 다음과 같습니다.
“지속 가능한 섬유 생산을 위한 목재의 다중 CRISPR 편집”
저자: Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L.
매튜스, 재커리 밀러, 카이 란, 카를로스 코프레-베가, 바오광 리우, 룬쿤 선,
헨리 세데로프, 라이언 G. 빙, 샤오얀 선, 크라노스 M. 윌리엄스, 하산 자밀, 리차드
필립스, 장후민, Ilona Peszlen, 황영윤, 웨이 리, 로버트 M. 켈리,
로널드 R. 세데로프, 빈센트 L. 치앙, 로돌프 바랑구, 잭 P. 왕
게시됨: 2023년 7월 14일 과학
도이: 10.1126/science.add4514
추상적인: 보다 지속 가능한 섬유 바이오경제를 위한 산림 나무의 재배는 화학적 및 효소적 분해에 저항하는 목재의 생체 고분자인 리그닌의 복잡성과 가소성으로 인해 오랫동안 방해를 받아 왔습니다. 여기서는 멀티플렉스 CRISPR 편집을 통해 리그닌 구성과 목재 특성의 조합적 개선을 위한 정밀한 목재 공급원료 설계가 가능하다는 것을 보여줍니다. 21개의 리그닌 생합성 유전자에 대한 69,123개의 다중 유전자 편집 전략의 가능한 모든 조합을 평가함으로써 우리는 최대 6개의 유전자의 동시 변경을 목표로 하는 7개의 독특한 게놈 편집 전략을 추론하고 174개의 편집된 포플러 변종을 생성했습니다. CRISPR 편집은 목재 탄수화물 대 리그닌 비율을 야생형의 최대 228%까지 증가시켜 더욱 효율적인 섬유 펄프화를 가능하게 했습니다. 편집목은 나무 성장률의 변화에 관계없이 주요 섬유 생산 병목 현상을 완화하고 전례 없는 운영 효율성, 생물경제적 기회 및 환경적 이점을 가져올 수 있습니다.
이미지 및 기사 출처: NCSU