Die Forschung zeigt das Potenzial von Ölsaaten für die Herstellung von Bioprodukten

Die Pflanzenwissenschaft eröffnet vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung umweltfreundlicher Bioprodukte – Kraftstoffe, Schmiermittel und andere Produkte, die erdölbasierte ersetzen. Forscher des Institute of Agriculture and Natural Resources der University of Nebraska-Lincoln erforschen eine Reihe innovativer Ansätze.

Ein Schwerpunkt liegt auf neuartigen Pflanzenölen mit Fettsäurestrukturen, die die Produktion von Biomaterialien in signifikanten Mengen ermöglichen. Um diese Öle im erforderlichen Umfang herzustellen, müssen Wissenschaftler zunächst komplexe Forschungsarbeiten durchführen, um die Enzyme und Gene der Öle zu verstehen.

Die Forschung des Husker-Biochemikers Ed Cahoon und Kollegen bringt diese wissenschaftlichen Erkenntnisse voran. Das Tagebuch Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten kürzlich die Ergebnisse von Cahoon und seinen Mitarbeitern im Nebraska Center for Plant Science Innovation and Department of Biochemistry, im Brookhaven National Laboratory in New York, an der Prince of Songkla University in Thailand und an der Huazhong Agricultural University in China.

Das IANR-Projekt untersuchte eine spezifische, ungewöhnliche Fettsäure in Thunbergia, einer tropischen Kletterpflanze. Die Säure ist insofern ungewöhnlich, als die Pflanzenchemikalien unkonventionelle Molekülketten aufweisen, die Pflanzenölen neue funktionelle Eigenschaften verleihen. Das Verständnis der Enzyme, die die Fettsäure bilden, war für die Forscher von entscheidender Bedeutung. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind diese Enzyme besonders geeignet, gentechnisch veränderte Pflanzen herzustellen, die reich an der Fettsäure sind.

Gentechnisch verändertes Sorghum zum Beispiel eignet sich gut für eine solche genomische Modifikation und ist ein Schwerpunkt von Cahoon und seinen IANR-Kollegen. Einmal auf diese Weise modifiziert, hat die Fettsäure von Sorghum ein starkes Potenzial, die Produktion von Biokraftstoffen und Biomaterialien zu erleichtern.

„Die Natur lässt Enzyme bestimmte Dinge tun“, sagte Cahoon, George W. Holmes Professor für Biochemie. „Wenn wir von den Pflanzen lernen können, die etwas anders machen, können wir die Enzyme so gestalten, dass sie neue Funktionen haben“, wie zum Beispiel die Herstellung von Spezialchemikalien. Solche Bemühungen sind als Protein-Engineering bekannt und stammen aus dem Verständnis der Ölsaatenenzyme und ihrer dreidimensionalen Strukturen.

Wie Cahoon und seine Kollegen in ihrem neuen Artikel schreiben, haben Studien ungewöhnlicher einfach ungesättigter Fettsäuren „eine Fülle von biochemischen Informationen und biotechnologischem Nutzen geliefert“. (Einfach ungesättigte Fette haben eine „Doppelbindung“ in ihrer Molekularstruktur, was dazu führt, dass das Öl bei Raumtemperatur flüssig, aber fest ist, wenn es gekühlt wird.)

Petroselinsäure war die wichtigste ungewöhnliche Fettsäure, die Cahoon und seine Kollegen bei ihrer Analyse von Thunbergia untersuchten. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Samen der Pflanze außerordentlich reich an der Säure sind, die ein starkes Potenzial für Biomaterialien hat. Petroselinsäure machte mehr als 90 % des Gewichts der Samenöle aus.

Thunbergia „ist eine schöne Zierrebe und sieht wunderschön aus, aber wir könnten sie in Nebraska niemals als Nutzpflanze anbauen“, sagte Cahoon, Direktor des Center for Plant Science Innovation. „Aber wir können die Gene finden, die die ungewöhnliche Fettsäure bilden, und wir können sie dann in Sorghum- und Ölsaatpflanzen einarbeiten, um höherwertige Öle herzustellen.“

Die IANR-Forschung wurde durch einen fünfjährigen Zuschuss in Höhe von 3,8 Millionen US-Dollar vom Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation des US-Energieministeriums finanziert. Cahoon und Thomas Clemente, Eugene W. Price Distinguished Professor of Biotechnology in Nebraska, gehören zu der Reihe von Wissenschaftlern, die landesweit zur Forschung für das Zentrum beitragen.

Zu den Schwerpunkten des Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation gehört ein „Plants-as-Factories“-Konzept, bei dem Pflanzenzellen mit bioproduktähnlichen Eigenschaften gentechnisch hergestellt werden. Sorghum ist zusammen mit Zuckerrohr einer der „größten Biomasseproduzenten der Welt“, so das Zentrum, „mit nachgewiesenem Potenzial zur Akkumulation von Öl in vegetativer Biomasse nach erfolgreichem Stoffwechsel-Engineering“.

Die IANR-Forschung „hat einen grundlegenden Aspekt, neue Dinge über Fettsäuren und Enzyme zu lernen“, sagte Cahoon. „Der zweite Teil versucht, diese Informationen zu nutzen, um neue Arten von Ölen zu entwickeln, die industrielle Anwendungen und Biokraftstoffe mit erhöhtem Wert haben könnten.“

Dieses Forschungsprojekt zeichnete sich durch eine grundlegende dreiteilige Arbeitsteilung aus. Cahoon, der Hauptforscher, machte die erste Entdeckung des außergewöhnlich hohen Gehalts an Petroselinsäure in Thunbergia-Ölsaaten. Lu Gan und Kiyoul Park, Postdoktoranden in Cahoons Labor im Center for Plant Science Innovation, isolierten die Gene für Enzyme, die die Pflanze zur Herstellung der Fettsäure verwendet. Unter den identifizierten Enzymen befand sich ein als Fettsäure-Desaturase bekanntes Enzym, das Doppelbindungen – Ungesättigtheit – an neuartigen Stellen in Fettsäuren einführt. Dadurch haben diese Fettsäuren neue funktionelle Eigenschaften von Pflanzenölen.

Der Strukturbiologe Qun Liu und der Biochemiker John Shanklin vom Brookhaven National Laboratory führten komplexe Analysen der dreidimensionalen Struktur des Enzyms durch. Diese Informationen leiteten das Design „neuer“ Fettsäure-Desaturasen, die einfach ungesättigte Fettsäuren erzeugen können, die in der Natur nicht vorkommen.

Gan und Park in Nebraska veränderten dann gentechnisch veränderte Leindotterölsamen, um petroselinsäurereiche Pflanzenöle herzustellen.

Cahoon hat seit langem Interesse an der Entwicklung neuer Ölsaaten mit innovativen Vorteilen. Dieses Interesse, das bis zu seiner Graduiertenschule vor drei Jahrzehnten zurückreicht, hat ihn regelmäßig dazu veranlasst, „Bioprospektion“ zu betreiben – die Erforschung einer breiten Palette von Pflanzen auf der Suche nach Samen mit einem hohen Anteil an ungewöhnlichen Fettsäuren, die einen neuartigen Nährwert oder industriellen Wert haben könnten .

Bioprospektion ist nichts Neues in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, stellte er fest. Pflanzen produzieren Tausende von Chemikalien, und das hat die Bioprospektion von Generationen von Forschern angespornt. Einige Arzneimittelentdeckungen sind auf medizinische Eigenschaften zurückzuführen, die seit langem mit bestimmten Pflanzen in Verbindung gebracht werden. Die Entwicklung von Aspirin zum Beispiel entstand aus den seit langem bekannten Eigenschaften der Weidenrinde.

Cahoon entdeckte den hohen Gehalt an ungewöhnlichen Fettsäuren in Thunbergia-Ölsamen, nachdem er mehrere Thunbergia-Arten untersucht hatte, die er online bestellt hatte. Einige Jahre zuvor führte ihn seine Bioprospektion dazu, die Ölsaat der Chinesischen Veilchenkresse zu untersuchen, eine blühende Pflanze, die in Zentralchina beheimatet ist. In Zusammenarbeit mit einem Wissenschaftler der Huazhong Agricultural University identifizierte er zwei neue ungewöhnliche Fettsäuren.

Die Wissenschaftler einigten sich darauf, eine der Fettsäuren nach der Stadt des chinesischen Forschers in China zu benennen – daher der Name Wuhansäure.

Und die andere Fettsäure? Es wird jetzt offiziell als Nebraskansäure bezeichnet. Es ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel, vielleicht eines, das in Zukunft dazu beitragen könnte, erdölbasierte zu ersetzen.