Entwickelte Enzyme könnten Biomasse erzeugen, die für die Umwandlung in Kraftstoff und andere nützliche Produkte optimiert ist

Pflanzenbiologen am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben Enzyme entwickelt, um Graspflanzen so zu modifizieren, dass ihre Biomasse effizienter in Biokraftstoffe und andere Bioprodukte umgewandelt werden kann. Wie in einem Artikel beschrieben, der in veröffentlicht wurde Zeitschrift für PflanzenbiotechnologieDiese Enzyme modifizieren Moleküle, aus denen pflanzliche Zellwände bestehen, um Zugang zu brennstofferzeugenden Zuckern zu ermöglichen, die normalerweise in komplexen Strukturen eingeschlossen sind.

„Das Konzept von Biomasse zu Biokraftstoff scheint einfach, aber es ist technisch sehr schwierig, den Zucker freizusetzen“, bemerkte Chang-Jun Liu, ein leitender Pflanzenbiologe am Brookhaven Lab, der die Studie leitete.

Pflanzenbiomasse ist voll von energiereichen, komplexen Zuckermolekülen, die durch Photosynthese entstehen. Jede Pflanzenzelle ist von einer starren Zellwand aus Zucker und einem Material namens Lignin umgeben, das für strukturelle Unterstützung sorgt. Die Reduzierung von Lignin, um Zugang zu den Zuckern zu erhalten, steht im Mittelpunkt der Forschung, die darauf abzielt, Pflanzen zur Herstellung von Kraftstoffen und anderen Produkten zu nutzen, die üblicherweise aus Erdöl hergestellt werden.

Seit fast 15 Jahren geht Liu dieses Problem an, indem er gentechnisch veränderte Enzyme namens Monolignol-4-O-Methyltransferasen (MOMTs) einsetzt. Diese Enzyme, die in der Natur nicht vorkommen, sollen die chemische Struktur von Monolignolen – den Hauptbausteinen von Lignin – verändern. Eine Veränderung der Struktur der Bausteine ​​verhindert, dass sie sich miteinander verbinden, wodurch der Ligningehalt der Pflanzen sinkt und die Zucker leichter zugänglich werden.

In früheren Arbeiten haben Liu und seine Kollegen erfolgreich MOMTs in Pappeln exprimiert. Diese Enzyme reduzierten den Ligningehalt der Bäume und ermöglichten eine stärkere Zuckerfreisetzung aus den Pflanzen. In der neuen Forschung testeten sie die möglichen Anwendungen der MOMT-Enzyme in Graspflanzen, die einen hohen Biomasseertrag aufweisen.

Gräser können auch in rauen Umgebungen wachsen, beispielsweise auf Böden, denen es an Wasser oder Nährstoffen mangelt. Der Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen in solchen Umgebungen könnte möglicherweise große Mengen an Biomasse produzieren, die für die Umwandlung in Kraftstoffe und Bioprodukte optimiert sind – ohne um Land zu konkurrieren, das für den Anbau von Nahrungspflanzen benötigt wird.

„Allerdings sind die Zellwände von Graspflanzen, wie die der von uns untersuchten Reispflanzen, in Bezug auf Struktur und Zusammensetzung noch komplizierter“, erklärte Nidhi Dwivedi, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Brookhaven Lab und Hauptautor der neuen Arbeit. Neben Zucker und Lignin enthalten die Zellwände von Graspflanzen auch zusätzliche phenolische Verbindungen, die die Zellwandbestandteile „vernetzen“ und sie dadurch noch stärker und schwerer abbaubar machen.

„Die Komplexität der Zellwände von Graspflanzen hat uns neugierig gemacht, ob unsere Enzyme die Zuckerrückgewinnung verbessern würden“, bemerkte Liu. „Wir wollten wissen, ob MOMTs die Graszellwände so verändern können, dass sie Zugang zur Biomasse ermöglichen.“

Weniger Lignin, mehr Zucker

Liu und Dwivedi konzentrierten sich für diese Studie auf zwei Versionen des Enzyms – MOMT4 und MOMT9 –, die jeweils darauf ausgelegt waren, eine andere Lignin-Untereinheit zu modifizieren.

In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der Universität Kyoto in Japan führte Lius Team chemische Analysen an Reispflanzen durch, die entweder MOMT4 oder MOMT9 exprimieren. Diese Studien zeigten, dass die modifizierten Graspflanzen im Vergleich zu unveränderten Pflanzen weniger Lignin enthielten.

Mitarbeiter der Appalachian State University in North Carolina untersuchten Abschnitte der veränderten Pflanzenstämme mittels Rasterelektronenmikroskopie und beobachteten Veränderungen, die mit den chemischen Analysen übereinstimmten.

„Im gesamten Stamm wirkten die Zellwände dünner“, sagte Dwivedi. „Und in manchen Zellen sahen die Wände sogar deformiert oder verbeult aus.“

Mit weniger Lignin in den Zellwänden konnten die Wissenschaftler im Vergleich zu unveränderten Pflanzen bis zu 30 % mehr Zucker aus Pflanzen, die MOMT4 exprimierten, und bis zu 15 % mehr Zucker aus Pflanzen, die MOMT9 exprimierten, sammeln. Durch einen Prozess namens Fermentation kann dieser Zucker in Biokraftstoffe wie Ethanol umgewandelt werden, ein üblicher Zusatzstoff, der zur Senkung des Anteils fossiler Brennstoffe in Benzin verwendet wird.

Überraschend promiskuitive Enzyme

Enzyme – Moleküle, die im Allgemeinen chemische Reaktionen ermöglichen – zielen im Allgemeinen nur auf einen Molekültyp ab. MOMT4 und MOMT9 wurden entwickelt, um auf Monolignole einzuwirken. Doch als Liu und seine Kollegen Tests mit diesen Enzymen durchführten, zeigten die Ergebnisse, dass diese manipulierten Enzyme „Promiskuität“ aufwiesen.

Beide MOMTs wirkten nicht nur auf die Monolignole, sondern auch auf andere Zellwandkomponenten – die vernetzenden Phenole und auch ein Phenol namens Tricin, ein Ligninvorläufer, der nur in Graspflanzen vorkommt.

Als diese Enzyme in Reispflanzen exprimiert wurden, führten sie zu den erwarteten strukturellen Veränderungen an den traditionellen Ligninbausteinen und reduzierten so den Gesamtligningehalt der Pflanzen. Durch die Veränderung der Strukturen der vernetzenden Phenole und des Tricins verringerten die MOMTs jedoch auch den Einbau dieser Verbindungen in die Zellwände und schwächten sie dadurch weiter. Die Wissenschaftler fanden auch im restlichen Pflanzengewebe eine Anreicherung modifizierter Phenole, die in unveränderten Pflanzen nicht vorkam.

„Das war ein ziemlicher Unterschied zu dem, was wir sahen, als wir die gleichen Enzyme in Pappeln exprimierten“, bemerkte Liu. „Die umfassenderen Auswirkungen der Expression der Enzyme haben uns wirklich überrascht. Insgesamt waren die Veränderungen positiv im Hinblick auf die Optimierung der Zuckerausbeute aus Graszellwänden. Es gab aber auch einige unbeabsichtigte Effekte.“

Pflanzen, die MOMT9 exprimierten, wuchsen beispielsweise nicht so hoch wie die unveränderten Pflanzen, was die Menge an Biomasse verringerte, aus der Zucker gewonnen werden konnte. Die Pflanzen konnten auch keine Samen produzieren, was ein Problem darstellen würde, wenn die Wissenschaftler die veränderten Pflanzen als nachhaltige Quelle für Biokraftstoffzucker vermehren wollen.

Um diese Herausforderungen anzugehen, planen die Wissenschaftler, Methoden zu erforschen, um zu kontrollieren, wie Lignin in verschiedenen Teilen der Pflanze verändert wird. Wenn es den Wissenschaftlern beispielsweise gelingt, den Ligningehalt überall in der Pflanze außer den Fortpflanzungsorganen zu reduzieren, könnten sie die Fähigkeit zur Zuckerextraktion maximieren, ohne die Fruchtbarkeit der Pflanzen zu beeinträchtigen.

Die Wissenschaftler wollen auch herausfinden, ob ihre MOMT-Enzyme den Zuckerertrag anderer Graspflanzenarten optimieren können.

„Nachdem wir die Wirksamkeit dieser Enzymtechnologie in Reis gesehen haben, sind wir zuversichtlich, dass sie zur Modifizierung anderer Gras-Energiepflanzen wie Sorghum und Bambus eingesetzt werden kann“, sagte Liu.

„Biokraftstoffe sind eine vielversprechende Alternative zu nicht erneuerbaren Energiequellen“, fügte Dwivedi hinzu. „Diese Studie liefert Erkenntnisse darüber, wie Wissenschaftler die Freisetzung von Zucker, der in Zellwänden vorhanden ist, optimieren und so einen Teil des Abfalls vermeiden können, der bei unveränderten Biomassepflanzen anfällt.“ .“