Bioenergiewissenschaftler entdecken genetischen Weg für eine bessere Verarbeitung von Biokraftstoffen

Ein Forscherteam, das am Center for Bioenergy Innovation (CBI) des Oak Ridge National Laboratory arbeitet, hat einen Weg entdeckt, um eine Art der Ligninbildung in Pflanzen zu fördern, die die Verarbeitung von Pflanzen, die für Produkte wie nachhaltige Düsentreibstoffe angebaut werden, einfacher und weniger machen könnte teuer.

Die Forscher konzentrierten sich auf C-Lignin, ein Polymer in den Samenschalen bestimmter exotischer Pflanzen. Lignin, das Polymer, das Pflanzen ihre Steifigkeit verleiht, ist eine gute Quelle für die Bausteine ​​und aromatischen chemischen Verbindungen, die zur Herstellung sauberer biobasierter Kraftstoffe benötigt werden. Aber Lignin ist auch schwierig zu verarbeiten, insbesondere die häufigeren G- und S-Lignine, die in den meisten Pflanzen vorkommen.

C-Lignin hat eine linearere chemische Struktur als die anderen Lignine, was den Abbau erleichtert. 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 in ausführlich beschrieben Wissenschaftliche Fortschritte. Die Wissenschaftler hoffen, Bioenergiepflanzen so zu manipulieren, dass sie C-Lignin bilden und gleichzeitig das Wachstum von G/S-Lignin einschränken, was zu einer erschwinglicheren, ertragreicheren Bioverarbeitung führen könnte.

Die G/S-Lignine bilden Polymerstrukturen ähnlich einem Fischernetz mit Ästen und Knicken darin, während C-Lignin eher eine Schnur ist, erklärte Jerry Tuskan, Chief Executive Officer von CBI bei ORNL. „Sie können sich vorstellen, dass es schwieriger wäre, ein Fischernetz auseinanderzuziehen als eine Schnur, die sich einfach auflöst.“

Tuskan sagte, dass die Forscher dieses Polymer in Zukunft in ihre primären Rohstoffe aus Pappeln und Rutenhirse einarbeiten wollen, um deren Zellwände für die Umwandlung in nachhaltige Flugkraftstoffe leichter abbaubar zu machen.

Das BioDiscovery Institute der University of North Texas, ein CBI-Partner und leitende Institution für das Projekt, untersucht C-Lignin seit einiger Zeit, seit der Universitätsforscher Fang Cheng 2011 erstmals das Vorhandensein des Polymers in den Samenschalen der Vanilleschote entdeckte.

„Wie stellt man C-Lignin in einer Pflanze her, die es normalerweise nicht herstellt?“ fragte Richard Dixon, Distinguished Research Professor für Biowissenschaften an der UNT. „Wir sind das auf zwei Arten angegangen. Eine davon ist eine Art Versuch und Irrtum und einige Vermutungen – es in die Pflanzen zu geben, die es natürlich nicht schaffen, und zu sehen, was passiert. Die andere versucht, wirklich zu verstehen, wie C-Lignin wird in einer Pflanze hergestellt, die es auch auf natürliche Weise herstellt.“

Wissenschaftler beobachten vollständigen Wechsel zu C-Lignin

Chunliu Zhuo, ein Postdoktorand an der UNT, machte kürzlich eine neue Entdeckung darüber, wie Pflanzen C-Lignin herstellen, während sie die Cleome oder Spinnenpflanze untersuchten. Cleome stellt in den ersten 12-14 Tagen nach der Bestäubung G-Lignin in ihren Samenschalen her. Dann wird darauf umgestellt, nur noch C-Lignin herzustellen.

„Sie können sich vorstellen, dass Cleome, wenn es irgendwann von G-Lignin zu C-Lignin wechselt, gemischtes GC-Lignin herstellen könnte“, sagte Dixon. „Tut es nicht. Es ist ziemlich bemerkenswert.

Am ORNL informierte ein Team unter der Leitung von Tim Tschaplinski in der Abteilung Biowissenschaften die Forschung mit einer Analyse der C-Lignin-Bildung auf molekularer Ebene.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Bausteine ​​für beide Ligninarten noch in den Pflanzen befinden, aber sie verbinden sich nicht, um die Ligninketten zu bilden – ein Prozess, der als Polymerisation bekannt ist. Sie schweben in den Zellen herum, binden aber nicht aneinander, um G/C-Lignin zu bilden.

„Ich war total überrascht von den G-Bausteinen. Wir haben festgestellt, dass auch später in der Entwicklung kein G-Lignin hergestellt wird, aber es gibt immer noch eine große Menge der G-Bausteine. Und sie werden immer noch hergestellt, “, sagte Zhuo. „Das hat uns veranlasst, uns anzusehen, wie die Pflanze das macht. Warum stellt sie nur C-Lignin her, wenn doch so viele freie G-Bausteine ​​vorhanden sind?“

Die Forscher erwarteten, dass in der Pflanze ein komplizierter Prozess abläuft, der Enzyme und mehrere Schritte umfasst, aber da der Wechsel so plötzlich und so vollständig zu sein scheint, denken sie jetzt, dass der Prozess tatsächlich viel einfacher ist, als sie zuvor dachten.

„Da es auf einmal passiert und sich C-Lignin in letzter Zeit in vielen Pflanzenarten entwickelt hat“, sagte Dixon, „bedeutet es, dass es einfach sein muss.“

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

Die Entdeckung bringt das Ziel besserer Biomasse-Pflanzen voran

Die Forscher glauben nun, dass C-Lignin-Bausteine ​​daran arbeiten, die Bildung von Ketten mit G-Bausteinen zu 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 ist das Engineering möglicherweise einfacher als gedacht. Sie müssten nur Gene einführen, die C-Lignin anschalten, nicht anschalten und dann das G-Lignin hemmen, was sie ursprünglich erwartet hatten.

„Es bringt uns näher an die Entwicklung von Pflanzen mit C-Lignin in dem Sinne, dass es uns etwas sagt, das wir nicht tun müssen – etwas, worüber wir uns keine Sorgen machen müssen“, sagte Dixon.

„Bis zu dieser Entdeckung war C-Lignin als kleiner, unbedeutender Bestandteil der größeren Ligninmoleküle bekannt, die in Pflanzenzellwänden vorkommen“, sagte Tuskan. „Es wurde nie als groß genug angesehen, um von kommerzieller Bedeutung zu sein. Aber jetzt können wir durch das Einbringen von C-Lignin in Zellwände den Energiebedarf für den Abbauprozess reduzieren. Diese Arbeit ist einer von mehreren Schritten in diese Richtung eine wirtschaftlich tragfähige Bioökonomie.“