Una de las soluciones más eficientes para combatir el cambio climático podría ser cultivar en su patio trasero. Los árboles son esenciales para eliminar el dióxido de carbono del aire y, al mismo tiempo, liberar oxígeno. Las estimaciones sugieren un árbol maduro absorbe más de 48 libras de dióxido de carbono en la atmósfera por año, pero todavía hay espacio para mejorar. Ahora, en un estudio publicado hoy en la revista Cienciaun equipo interdisciplinario de químicos, ingenieros y científicos ambientales están optimizando la forma en que los árboles pueden ayudar a crear un futuro sostenible.
Para hacer eso, están profundizando en la composición genética de los árboles. “No creo que el público en general comprenda o aprecie completamente el impacto que los árboles tienen en nuestra sociedad y en la reducción de las emisiones de carbono. Comprender la genética de este recurso crítico es importante, especialmente para producir fibras que son importantes en nuestra economía de compras”, dice daniel sulisbecario postdoctoral en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y autor principal del estudio.
Sulis y sus colegas han realizado el primer intento exitoso de utilizar la edición de genes para optimizar el proceso de producción de fibra de madera. Los autores modificaron la genética de los álamos para reducir la cantidad de lignina, un componente orgánico que actúa como la columna vertebral para dar a los árboles su estructura rígida y leñosa. Al reducir la cantidad de este material estructural duro que producen los árboles, la producción de papel lleva menos tiempo y, a su vez, genera menos contaminación.
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“Hemos estado estudiando la lignina durante décadas, pero la complejidad de esos polímeros dentro de la madera hace que sea realmente difícil modificarlos de manera que sean compatibles con las aplicaciones de procesamiento para las producciones”, dice Jack Wangprofesor asistente en la Facultad de Recursos Naturales de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y uno de los autores del estudio.
Para crear papel tisú renovable y otros productos, la lignina de la madera debe cortarse y disolverse con productos químicos peligrosos. Este es un proceso que consume mucha energía y libera dióxido de carbono cuando se quema la lignina, lo que puede contribuir a las emisiones atmosféricas en la atmósfera.
En el estudio actual, la idea del equipo usó CRISPR, tijeras moleculares que cortan y modifican segmentos específicos de ADN, para reducir los niveles de lignina y aumentar los carbohidratos. Ese carbohidrato, como la celulosa, es deseable porque es lo que se convierte en pulpa en los productos de papel.
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El equipo utilizó modelos predictivos de aprendizaje automático para reducir 70 000 posibles estrategias de edición de genes y objetivos potenciales a menos de 350. Los experimentos de seguimiento para ver cuál produciría madera compatible con la producción de fibra llevaron a los autores a elegir siete estrategias, casi todas dirigidas a más de un gen.
Su objetivo: crear árboles con un 35 por ciento menos de lignina que los que se encuentran en la naturaleza. También querían que su proporción de carbohidratos a lignina fuera un 200 por ciento más alta que la de los árboles sin editar. Con la edición de genes CRISPR, crearon 174 líneas diferentes de álamos, que cultivaron en un invernadero durante seis meses.
Un análisis de la composición de la madera del árbol después de seis meses reveló menos lignina en los árboles. Algunos tenían la mitad de la cantidad que un álamo normal. También hubo un aumento del 228 por ciento en el contenido de carbohidratos a lignina.
“La capacidad de controlar con precisión el contenido de lignina permite nuevos procesos para utilizar fibras de madera en papel y madera de ingeniería avanzada”, dice Liangbing Hu, el director del Centro para la Innovación de Materiales en el Instituto de Innovación Energética de Maryland, quien ha publicado una investigación sobre nuevos enfoques para la ingeniería de celulosa en la madera, pero no participó en el estudio actual. “Por ejemplo, la producción de pulpa utilizando madera editada con lignina reducida puede proporcionar beneficios sustanciales para la mitigación del cambio climático”.
Los álamos editados para tener menos lignina podrían reducir la huella de carbono de la producción de fibra en más del 20 por ciento, encontró el análisis del equipo. “Esta resultó ser una tecnología que no solo es beneficiosa para la eficiencia de la sostenibilidad de nuestra economía, sino que, al mismo tiempo, crea soluciones para una producción de este material más respetuosa con el medio ambiente”, añade Wang.
La demanda de fibra de madera está creciendo a medida que la sociedad busca productos más ecológicos, como tejidos renovables, toallas de papel y textiles. Los árboles editados genéticamente también pueden producir más producto: un análisis separado en el estudio estimó que los árboles con menos lignina podrían producir un 40 por ciento más de fibras sostenibles.
El siguiente paso es aplicar esta estrategia de edición de genes a otros árboles de madera dura comúnmente utilizados en la producción de papel, como el abeto y el pino. Dado que el mecanismo por el que la madera produce lignina es prácticamente el mismo en varias especies de árboles, Wang dice que es posible probar esta técnica en otros tipos de árboles. Otra dirección que sigue el equipo es plantar estos árboles en campos enormes y ver cómo los árboles editados interactúan con el medio ambiente, midiendo cómo se comportan y se sostienen.
Debido a que estos árboles tardan mucho tiempo en madurar para su uso en la producción de fibra, será alrededor de 2040 cuando la sociedad comience a ver más de ellos, dice Wang. Además, como muestran las preocupaciones sobre la liberación de mosquitos editados genéticamente, el apoyo local sería crucial. Para aplicaciones exitosas y responsables de esta tecnología, dice, “debemos asegurarnos de que todo lo que hagamos se alinee completamente no solo con las regulaciones gubernamentales, sino también con la aceptación pública y los intereses de la industria”.