Genetischer Weg für bessere Biokraftstoffverarbeitung

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Entdeckung von Bioenergie-Wissenschaftlern im Oak Ridge National Laboratory

Ein Forscherteam des Zentrums für Bioenergie-Innovation (CBI) am Oak Ridge National Laboratory hat einen Weg zur Förderung einer bestimmten Art von Ligninbildung in Pflanzen entdeckt, der die Verarbeitung von Pflanzen, die für Produkte wie nachhaltige Flugzeugtreibstoffe angebaut werden, einfacher und kostengünstiger machen könnte. Die Forscher konzentrierten sich auf C-Lignin, ein Polymer in den Samenhüllen bestimmter exotischer Pflanzen. Lignin, das Polymer, das Pflanzen ihre Steifigkeit verleiht, ist eine gute Quelle für die Bausteine und aromatischen chemischen Verbindungen, die für die Herstellung sauberer biobasierter Kraftstoffe benötigt werden. Aber Lignin ist auch schwierig zu verarbeiten, insbesondere die in den meisten Pflanzen vorkommenden G- und S-Lignine.

Pappel vor der Fällung – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

C-Lignin hat eine linearere chemische Struktur als die anderen Lignine und lässt sich daher leichter aufspalten. Die Wissenschaftler des CBI, eines Bioenergie-Forschungszentrums des US-Energieministeriums, haben nun den genetischen Mechanismus identifiziert, der bei der Bildung dieses bevorzugten C-Lignins eine Rolle spielt, wie sie in Science Advances berichten. Die Wissenschaftler hoffen, Bioenergiepflanzen so zu verändern, dass sie C-Lignin bilden und gleichzeitig das Wachstum von G/S-Ligninen einschränken, was zu einer kostengünstigeren und ertragreicheren Bioverarbeitung führen könnte.

Die G/S-Lignine bilden Polymerstrukturen, die einem Fischernetz mit Verzweigungen und Knicken ähneln, während das C-Lignin eher eine Art Schnur ist, erklärte Jerry Tuskan, Geschäftsführer des CBI am ORNL. „Sie können sich vorstellen, dass es schwieriger ist, ein Fischernetz zu zerreißen als eine Schnur, die sich einfach auflöst.“ Laut Tuskan wollen die Forscher dieses Polymer in ihre Hauptrohstoffe Pappel und Rutenhirse einbauen, um deren Zellwände für die Umwandlung in nachhaltige Flugtreibstoffe leichter abbauen zu können.

Das BioDiscovery Institute der University of North Texas, ein Partner des CBI und federführend bei dem Projekt, beschäftigt sich schon seit einiger Zeit mit C-Lignin, seit der Universitätsforscher Fang Cheng 2011 erstmals das Vorhandensein des Polymers in den Samenhüllen der Vanilleschote entdeckte.

„Wie kann man C-Lignin in einer Pflanze herstellen, die es normalerweise nicht produziert?“, fragte Richard Dixon, Distinguished Research Professor für Biowissenschaften an der UNT. „Wir haben uns dieser Frage auf zwei Arten genähert. Die eine ist eine Art Versuch und Irrtum, bei dem wir einige Vermutungen anstellen – wir setzen es in Pflanzen ein, die es normalerweise nicht herstellen, und sehen, was passiert. Die andere ist der Versuch, wirklich zu verstehen, wie C-Lignin in einer Pflanze hergestellt wird, die es von Natur aus produziert.

Wissenschaftler beobachten vollständige Umstellung auf C-Lignin

Chunliu Zhuo, ein Postdoktorand an der UNT, machte kürzlich eine neue Entdeckung darüber, wie Pflanzen C-Lignin herstellen, als er die Cleome, eine Spinnenpflanze, untersuchte. Die Cleome produziert in ihren Samenhüllen in den ersten 12-14 Tagen nach der Bestäubung G-Lignin. Dann geht sie dazu über, nur noch C-Lignin zu produzieren. „Man könnte annehmen, dass Cleome, wenn sie von G-Lignin auf C-Lignin umschaltet, irgendwann auch gemischtes GC-Lignin herstellt“, sagte Dixon. „Das tut es aber nicht. Es ist ziemlich bemerkenswert. Es schaltet einfach komplett um.“

Am ORNL untersuchte ein Team unter der Leitung von Tim Tschaplinski aus der Abteilung Biowissenschaften die C-Ligninbildung auf molekularer Ebene. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Bausteine für beide Arten von Lignin immer noch in den Pflanzen vorhanden sind, aber sie verbinden sich nicht zu Ligninketten – ein Prozess, der als Polymerisation bekannt ist. Sie schwimmen zwar in den Zellen herum, verbinden sich aber nicht zu G/C-Lignin. „Ich war von den G-Bausteinen völlig überrascht. Wir haben festgestellt, dass selbst in der späteren Entwicklungsphase kein G-Lignin mehr gebildet wird, aber immer noch eine große Menge der G-Bausteine vorhanden ist. Und sie werden immer noch hergestellt“, sagte Zhuo. „Das hat uns dazu veranlasst, zu untersuchen, wie die Pflanze das macht. Warum stellt sie nur C-Lignin her, wenn so viele freie G-Bausteine vorhanden sind?“

Die Forscher gingen davon aus, dass in der Pflanze ein komplizierter Prozess abläuft, an dem Enzyme und mehrere Schritte beteiligt sind. Da die Umstellung jedoch so plötzlich und vollständig zu sein scheint, glauben sie nun, dass der Prozess tatsächlich viel einfacher ist, als sie bisher dachten. „Da dies alles auf einmal geschieht und sich C-Lignin erst vor kurzem in vielen Pflanzenarten entwickelt hat“, so Dixon, „muss es einfach sein“.

„Es ist nicht so, dass die Pflanzen vor 100 oder 200 Millionen Jahren plötzlich C-Lignin entwickelt haben und es jetzt alle haben. Einige haben es und andere nicht, selbst wenn es sich um eng verwandte Arten handelt“, so Dixon. „Chunliu hat entdeckt, dass, die Umwandlung der G-Bausteine in Lignin gehemmt wird, sobald die Pflanze die C-Bausteine herstellt.“

Entdeckung bringt das Ziel besserer Biomasse-Pflanzen voran

Die Forscher glauben nun, dass die C-Lignin-Bausteine die Bildung von Ketten mit G-Bausteinen verhindern. Mit dem Verständnis dieses Mechanismus sind die Wissenschaftler der Entwicklung von Nutzpflanzen mit hauptsächlich C-Lignin einen Schritt näher gekommen. Wenn der Prozess so einfach ist, dann könnte die Entwicklung einfacher sein als gedacht. Sie müssten nur Gene einführen, die das C-Lignin aktivieren, und nicht, wie ursprünglich erwartet, das G-Lignin einschalten und hemmen.

„Das bringt uns der Entwicklung von Pflanzen mit C-Lignin in dem Sinne näher, dass wir etwas tun können, was wir nicht tun müssen – etwas, worüber wir uns keine Sorgen machen müssen“, sagte Dixon. „Bis zu dieser Entdeckung war C-Lignin als kleinerer, unbedeutender Bestandteil der größeren Ligninmoleküle in Pflanzenzellwänden bekannt“, so Tuskan. „Es wurde nie als eine ausreichen angesehen, um von kommerzieller Bedeutung zu sein. Wenn wir nun aber C-Lignin in die Zellwände einbringen, können wir möglicherweise den Energiebedarf für den Abbauprozess senken. Diese Arbeit ist einer von mehreren Schritten auf dem Weg zu einer wirtschaftlich tragfähigen Bioökonomie“.

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