Chemiker Louisiana State University publizieren Forschungserfolg
Während die Welt nachhaltigere Energie- und Materialquellen sucht, könnte pflanzliche Biomasse als erneuerbare Ressource für die Produktion von Biowerk- und Biokraftstoffen die Lösung sein. Bislang waren die komplexen physikalischen und chemischen Wechselwirkungen in pflanzlicher Biomasse jedoch eine Herausforderung für ihre Verarbeitung. In einer am 27.01.2022 in Nature Communications veröffentlichten Untersuchung zeigen Tuo Wang, Associate Professor am Department of Chemistry an der Louisiana State University Baton Rouge samt Forschungsteam, wie Kohlenhydrate mit Lignin interagieren, um Pflanzenbiomasse zu bilden.
Biomasse Stroh – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Die neuen Informationen können dazu beitragen, die Entwicklung besserer Technologien zur Nutzung von Biomasse für Energie und Materialien voranzutreiben. Das Wang-Forschungsteam untersuchte die nanoskalige Zusammensetzung von Lignozellulose-Bbestandteilen in verschiedenen Pflanzenarten, darunter Gräser sowie Laub- und Nadelholzarten. Gräser enthalten viele Nahrungspflanzen, wie z. B. Mais, und sind der wichtigste Rohstoff für die Biokraftstoffproduktion in den USA. Gehölze, die häufig für Baumaterialien verwendet werden, sind vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Biokraftstoffen, um die Abhängigkeit von Nahrungsmittelpflanzen zu verringern.
Das Team nutzte sein Fachwissen auf dem Gebiet der magnetischen Festkörperresonanzspektroskopie, um die nanoskalige Organisation der Lignin-Kohlenhydrat-Grenzflächen in den drei Pflanzenarten zu vergleichen und aufzuzeigen, wie die Strukturen der Biopolymere ihre Verbindung mit anderen Zellwandkomponenten beeinflussen. „Wir entdeckten, dass die Hemizellulose Xylan ihre flache Struktur nutzt, um Zellulose-Mikrofibrillen zu binden, und sich hauptsächlich auf ihre nicht flache Struktur verlässt, um mit Lignin-Nanodomänen zu assoziieren“, sagte Wang. „In den dicht gepackten holzigen Materialien ist die Zellulose jedoch gezwungen, auch als sekundärer Interaktor mit Lignin zu dienen.
Die neu entdeckten, hochauflösenden Informationen über die Organisation der Lignin-Kohlenhydrat-Grenzflächen haben die Erforschung pflanzlicher Biomaterialien neu gestaltet. Durch die Spektroskopie-Methode wurden die untersuchten Proben in ihrem nativen Zustand belassen, ohne dass sie chemisch gestört wurden. Die Ergebnisse enthüllten strukturelle Unterschiede im Zellwandaufbau der verschiedenen Pflanzen.
Mit dieser Methode können in Zukunft komplexe Biomoleküle in verschiedenen Pflanzen und manipulierten Mutanten untersucht werden, was die Entwicklung besserer Technologien für die Produktion von biorenativen Energien und Biomaterialien unterstützen wird.
Das Forschungsteam bestand aus den LSU-Diplomstudenten Alex Kirui und Wan-Cheng Zhao sowie den Postdoktoranden Fabien Deligey und Xue Kang aus der Wang-Forschungsgruppe, Frederic Mentink-Vigier, einem Experten für dynamische Kernpolarisationstechnik am National High Magnetic Field Laboratory (Tallahassee, Florida), der an dem Projekt mitwirkte, und Hui Yang von der Pennsylvania State University, der umfangreiches Fachwissen im Bereich Modellierung beisteuerte.
->Quellen:
- lsu.edu/plant_biomass
- Alex Kirui, Wancheng Zhao, Fabien Deligey, Hui Yang, Xue Kang, Frederic Mentink-Vigier & Tuo Wang: Carbohydrate-aromatic interface and molecular architecture of lignocellulose, in: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-28165-3