Bäume sind die am häufigsten vorkommende natürliche Ressource auf den Landmassen der Erde, und Wissenschaftler und Ingenieure der North Carolina State University machen Fortschritte bei der Suche nach Möglichkeiten, sie als nachhaltige, umweltfreundliche Alternative zur Herstellung von Industriechemikalien aus Erdöl zu nutzen.
Lignin, ein Polymer, das Bäume steif und widerstandsfähig gegen Abbau macht, hat sich als problematisch erwiesen. Jetzt wissen die Forscher des NC State, warum. Sie haben die spezifische molekulare Eigenschaft von Lignin – seinen Methoxygehalt – identifiziert, die bestimmt, wie schwierig oder einfach es wäre, mithilfe mikrobieller Fermentation Bäume und andere Pflanzen in Industriechemikalien umzuwandeln.
„Die Ergebnisse bringen uns der Herstellung von Industriechemikalien aus Bäumen als wirtschaftlich und ökologisch nachhaltige Alternative zu aus Erdöl gewonnenen Chemikalien einen Schritt näher“, sagte Robert Kelly, der korrespondierende Autor von a Papier im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte Einzelheiten zur Entdeckung.
Kellys Gruppe hat zuvor nachgewiesen, dass bestimmte extrem thermophile Bakterien, die an Orten wie den heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark gedeihen, die Zellulose in Bäumen abbauen können – allerdings „nicht in großem Maße“, sagte er. „Mit anderen Worten, nicht auf dem Niveau, das für die Herstellung von Industriechemikalien wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll wäre.“
Kelly erklärte: „Es stellt sich heraus, dass mehr als nur ein niedriger Ligningehalt im Spiel ist.“
Um das Problem des hohen Ligningehalts bei Bäumen zu umgehen, arbeitet Kelly, Direktorin des NC State Biotechnology Program und Alcoa-Professor in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, seit über 10 Jahren mit Associate Professor Jack Wang, dem Leiter der Forstbiotechnologie, zusammen Programm am NC State’s College of Natural Resources. Wang ist außerdem Fakultätsmitglied der NC Plant Sciences Initiative.
Wie im Journal berichtet Wissenschaft Im Jahr 2023 nutzten Wang und seine Kollegen die CRISPR-Genombearbeitungstechnologie, um Pappeln mit verändertem Ligningehalt und -zusammensetzung zu erzeugen. Sie haben sich auf Pappeln konzentriert, weil diese schnell wachsen, nur einen minimalen Einsatz von Pestiziden erfordern und auf Randgebieten wachsen, auf denen sich kaum Nahrungspflanzen anbauen lassen.
Kellys Gruppe stellte fest, dass einige, aber nicht alle dieser CRISPR-bearbeiteten Bäume gut für den mikrobiellen Abbau und die Fermentation geeignet waren. Als sein ehemaliger Ph.D. Student Ryan Bing erklärte, es stellt sich heraus, dass diese Bakterien einen unterschiedlichen Appetit auf verschiedene Pflanzenarten haben.
„Wir können die Fähigkeit bestimmter thermophiler Bakterien aus heißen Quellen an Orten wie dem Yellowstone-Nationalpark nutzen, Pflanzenmaterial zu fressen und in interessante Produkte umzuwandeln. Diese Bakterien haben jedoch einen unterschiedlichen Appetit auf verschiedene Pflanzenarten“, sagte Bing arbeitet jetzt als leitender Stoffwechselingenieur für Capra Biosciences in Sterling, Virginia.
„Die Frage war: Warum? Was macht eine Pflanze besser als die andere?“ er erklärte. „Wir haben eine Antwort darauf gefunden, indem wir untersucht haben, wie diese Bakterien Pflanzenmaterial unterschiedlicher Zusammensetzung fressen.“
In einer Folgestudie testeten Kelly und Bing, wie gut ein gentechnisch verändertes Bakterium, das ursprünglich aus heißen Quellen in Kamchutka, Russland, isoliert wurde, Anaerocellum bescii, Wangs manipulierte Pappeln mit deutlich unterschiedlichem Ligningehalt und -zusammensetzung zersetzte.
Die Forscher fanden heraus, dass der Baum umso besser abbaubar war, je niedriger der Lignin-Methoxygehalt war.
„Dies klärte das Rätsel, warum niederes Lignin allein nicht der Schlüssel ist – der Teufel steckte im Detail“, sagte Kelly. „Ein niedriger Methoxygehalt macht die Zellulose wahrscheinlich besser für die Bakterien verfügbar.“
Wang hatte die Pappeln mit niedrigem Ligningehalt geschaffen, um besser für die Papierherstellung und andere Faserprodukte geeignet zu sein. Neuere Untersuchungen legen jedoch nahe, dass sich künstlich hergestellte Pappeln, die nicht nur einen niedrigen Ligningehalt, sondern auch einen niedrigen Methoxygehalt aufweisen, am besten für die Herstellung von Chemikalien durch mikrobielle Fermentation eignen.
Die von Wang entwickelten Pappeln gedeihen im Gewächshaus gut, doch die Ergebnisse der Feldversuche liegen noch nicht vor. Kellys Gruppe hat zuvor gezeigt, dass Pappeln mit niedrigem Ligningehalt in Industriechemikalien wie Aceton und Wasserstoffgas umgewandelt werden können, mit günstigen wirtschaftlichen Ergebnissen und geringen Auswirkungen auf die Umwelt.
Wenn diese Bäume auf dem Feld bestehen bleiben und „wenn wir weiter an unserem Ziel arbeiten“, sagte Kelly, „werden wir Mikroben haben, die große Mengen an Chemikalien aus Pappeln herstellen, jetzt, da wir den Marker kennen, nach dem wir suchen müssen – den Methoxygehalt.“ .“
Dies gibt Forschern wie Wang ein spezifisches Ziel für die Herstellung von Pappellinien, die sich am besten für die chemische Produktion eignen. Wang und Kollegen haben kürzlich Feldversuche mit Pappeln mit fortschrittlicher Lignin-Modifizierung initiiert, um diese Frage zu beantworten.
Derzeit ist die Herstellung von Chemikalien aus Bäumen auf herkömmliche Weise möglich: Das Holz wird in kleinere Stücke zerkleinert und anschließend mit Chemikalien und Enzymen für die weitere Verarbeitung vorbehandelt.
Der Einsatz manipulierter Mikroben zum Abbau von Lignin bietet Vorteile, darunter einen geringeren Energiebedarf und eine geringere Umweltbelastung, sagte Kelly.
Enzyme können zur Aufspaltung von Zellulose in Einfachzucker eingesetzt werden, sie müssen dem Prozess jedoch ständig zugesetzt werden. Bestimmte Mikroorganismen hingegen produzieren kontinuierlich die Schlüsselenzyme, die den mikrobiellen Prozess wirtschaftlicher machen, sagte er.
„Sie können auch eine viel bessere Arbeit leisten als Enzyme und Chemikalien“, fügte Kelly hinzu. „Sie spalten die Zellulose nicht nur auf, sondern vergären sie auch zu Produkten wie Ethanol – alles in einem Schritt.“
„Die hohen Temperaturen, bei denen diese Bakterien wachsen, machen es auch überflüssig, unter sterilen Bedingungen zu arbeiten, wie man es mit weniger thermophilen Mikroorganismen tun müsste, um eine Kontamination zu vermeiden“, fügte er hinzu. „Das bedeutet, dass der Prozess zur Umwandlung von Bäumen in Chemikalien wie ein herkömmlicher industrieller Prozess ablaufen kann, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass er übernommen wird.“
Daniel Sulis, ein weiterer Autor des Artikels und Postdoktorand in Wangs Labor, sagte, dass durch den Klimawandel verursachte Umweltkatastrophen die dringende Notwendigkeit verdeutlichen, Forschung durchzuführen, um Wege zu finden, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
„Eine vielversprechende Lösung besteht darin, Bäume zu nutzen, um den Bedarf der Gesellschaft an Chemikalien, Kraftstoffen und anderen biobasierten Produkten zu decken und gleichzeitig sowohl den Planeten als auch das menschliche Wohlergehen zu schützen“, fügte Sulis hinzu.
„Diese Erkenntnisse bringen nicht nur das Feld voran, sondern legen auch den Grundstein für weitere Innovationen bei der Nutzung von Bäumen für nachhaltige biobasierte Anwendungen.“
Weitere Informationen:
Ryan Bing et al., Beyond Low Lignin: Identifying the Primary Barrier to Plant Biomass Conversion by Fermentative Bacteria, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq4941. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4941