Durch die Zugabe eines natürlich vorkommenden Polymers, das Holz poröser macht, haben Wissenschaftler Bäume entwickelt, die sich leichter in einfachere Bausteine zerlegen lassen.
Fossile Brennstoffe sind die Hauptquelle für Energie, Chemikalien und viele andere Materialien, aber sie sind für einen erheblichen Teil der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Um CO2-Neutralität zu erreichen, muss morgen ein Großteil dessen, was heute aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, aus Biomasse hergestellt werden. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen Materialien und erneuerbaren Energien wurden pflanzliche Rohstoffe untersucht, aber die Umwandlung holziger Pflanzenbiomasse in Kraftstoffe und andere nützliche Produkte ist chemisch und energetisch sehr anspruchsvoll.
Bis heute konzentrierte sich die Forschung zur Verarbeitung holziger Biomasse zur Verbesserung ihrer Effizienz bei der Umwandlung in einfachere Bestandteile hauptsächlich auf die bereits im Holz vorhandenen komplexen Polymere.
Matthieu Bourdon und Kollegen haben einen anderen Ansatz gewählt. Sie nahmen Callose, ein Polymer, das natürlicherweise in einigen Zellwänden von Pflanzen vorkommt, und bauten es erfolgreich in die speziellen sekundären Zellwände von Pflanzen ein – das Holz. Veröffentlicht in NaturpflanzenDie Forschung, an der internationale Kooperationen mehrerer Institute beteiligt sind, zeigt, dass mit Callose angereichertes Holz viel leichter in einfache Zucker und Bioethanol umgewandelt werden kann als nicht verarbeitetes Holz.
Dr. Bourdon, ehemaliger Forscher am Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge (SLCU), der jetzt am Friedrich-Miescher-Institut für biomedizinische Forschung tätig ist, transformierte zunächst die winzige Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) so, dass in ihren Sekundärwänden Kallose biosynthetisiert wird. „Wir haben gezeigt, dass die Pflanzen ein neues Polymer in ihren sekundären Zellwänden aufnehmen können, ohne dass dies negative Auswirkungen auf das Wachstum hat“, sagte er.
Konstruieren Sie Bäume als effizienteren und nachhaltigeren Rohstoff für die Umwandlung von Biomasse
Bei der Umstellung auf einen schnell wachsenden Baum, die laubabwerfende Hybrid-Aspen-Pappel (Populus tremula x tremuloides), stellte das Team fest, dass mit Callose angereichertes Holz interessante neue Eigenschaften aufwies, wie etwa eine erhöhte Hygroskopizität und Porosität, wodurch die Polymere leichter für die Extraktion und Umwandlung zugänglich werden einfachere Bausteine wie Zucker oder Bioethanol.
„Es war eine große Herausforderung, die ultrastrukturellen Auswirkungen der Kallosezugabe auf das Holzwerkstoff zu verstehen. Die hochmodernen Experimente, die von den Teams von Paul und Ray Dupree in Cambridge und der Warwick University durchgeführt wurden, sind ein Eckpfeiler dieser Geschichte. Tatsächlich zeigten sie überraschend, dass dies bei Kallose nicht der Fall war.“ „Interagieren Sie mit anderen Polymeren, lassen Sie aber vermuten, dass Callose als Zellwand-Abstandshalter fungieren könnte, der Wasser anzieht“, sagte Dr. Bourdon.
„Dieser Ansatz hat uns dazu inspiriert, nach Antworten zu suchen, die über unser eigenes Fachwissen hinausgehen, und weitere Kooperationen zu etablieren, um dieses multidisziplinäre Forschungsstück zu produzieren, das von Gentechnik, Biochemie und Strukturbiologie bis hin zu Materialwissenschaften reicht.“
„Wir gehen davon aus, dass unser Holzwerkstoff der Produktion von Biomaterialien und Biokraftstoffen zugute kommen wird, die auf dem Abbau von Biomasse und der Zugänglichkeit von Polymeren basieren, wie z. B. Verpackungsmaterialien oder sogar fortschrittliche Biomaterialien wie Zellulose-Nanofibrillen und delignifiziertes Holz.“
„Der nächste Schritt besteht darin, Feldversuche durchzuführen, um unsere Ergebnisse zu bestätigen und die Leistung der mit Kallose angereicherten Bäume unter realen forstwirtschaftlichen Bedingungen zu bewerten. Wir hoffen auch, dass unsere Entdeckung, ein neues Polymer in Holz einzuführen, andere Forscher dazu inspirieren wird, andere Arten einzuführen.“ von Polymeren für maßgeschneiderte Anwendungen.“
Mehr Informationen:
Matthieu Bourdon et al.: Ektopische Kalloseablagerung in holziger Biomasse moduliert die Nanoarchitektur von Makrofibrillen. Naturpflanzen (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01459-0