基因編輯木材，可邁向更永續環保的未來？美國時間12日，一項由美國馬里蘭大學(University of Maryland)植物科學與景觀工程系團隊進行的研究發現，經過基因編輯、減少木質素(liginin)含量的楊樹，不僅生長與天然楊樹無異，其製作成壓縮木後的強度，可與經過化學加工處理製成的壓縮木匹敵，有望成為更加環保的再生性建築新材料。這項研究發表在《Matter》。
 
在將木頭製作成結構用木材的流程中，必須先去除木質素，才能進行後續增加結構強度或耐紫外線的加工程序。通常去除木質素的方法，是使用化學物質、酵素或是微波處理，但會產生大量的浪費。
 
在這項新研究中，研究團隊成功地透過鹼基編輯(base-editing)產生的楊樹，生成低木質素、高性能的結構用木材，而不需要使用化學或高耗能處理程序。
 
通訊作者馬里蘭大學植物科學與景觀工程系教授Yiping Qi表示，這種創新、具韌性的「超級木頭」結合了遺傳工程與木材工程，能夠永續地截存並儲存碳，且碳截存(Carbon sequestration)在對抗氣候變遷非常關鍵，這樣的基因工程木頭，可以在未來的生物經濟體(bioeconomy)中找到許多用途。
 
研究團隊利用胞嘧啶鹼基編輯器nCas9-A3A/Y130F，剔除了楊樹的4CL1基因，從而使得基因編輯楊樹的木質素含量，相較於野生型減少了12.8%。這個木質素含量，已經與化學處理後的木材含量相近。
 
這些鹼基編輯楊樹和未經基因編輯處理的楊樹，一同在溫室中種植6個月，結果並未觀察到生長速率差異，結構上也沒有顯著差別；接著，為了測試基因編輯楊樹的強度(viability)，研究團隊將其製作成強度近似於塑合板(particle board)的壓縮木，塑合板是建築和家具的常用材料。
 
通常壓縮木是在真空環境中，將木頭浸泡在水中、再進行熱壓步驟，使其厚度壓縮到原本的20%；但在天然的木頭中，因為木質素會幫助細胞維持它們的結構、避免被壓縮，因此木質素含量較低的基因編輯楊樹、或是經過化學處理的木頭，可以讓細胞壓到密度更高，使最終成品的強度更高。
 
研究團隊表示，基因編輯楊樹製成的壓縮木和經過化學處理的壓縮木相似，基因編輯楊樹製成的壓縮木，其拉伸強度可達到313.6 ± 6.4 MPa，比製作成壓縮木前高出5.6倍，並可與經化學處理、製成的壓縮木匹敵(320.2 ± 3.5 MPa)。
 
為了更進一步評估這些基因編輯楊樹的性能，研究團隊也使用天然楊樹、經過傳統化學處理降低木質素的楊樹製作壓縮木與其比較。
 
結果發現，以基因修飾楊樹製成的壓縮木，與經過化學處理的天然木製作的壓縮木性能相當，不僅更加緊密，強度相較於未經處理的天然木製成的壓縮木，也高出1.5倍。
 
研究團隊指出，以基因編輯楊樹製成的壓縮木，其拉伸強度甚至可和具有良好機械性質的6061鋁合金(aluminum alloy 6061)不相上下，並且和經過化學處理製成的壓縮木相當。
 
研究團隊表示，這項研究開啟了新的可能性，能夠產出各種成本低、環境永續、可規模化生產的建築材料，它們將在對抗氣候變遷的戰役中扮演重要角色。
 
此外，這項研究也彰顯了基因體編輯的潛力，創造出其他具有強化性能的工程木頭材料，透過提供相較於傳統材料再生性更高、碳儲存潛力更強的選項，為以去除二氧化碳為目標的生物經濟體做出貢獻。
 
參考資料：
https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/base-editing-reduces-lignin-boosts-carbon-content-of-poplar-wood/
 
(編譯 / 吳培安)