Die Entdeckung der molekularen Eigenschaften von Lignin könnte dazu beitragen, Bäume in erschwingliche, umweltfreundlichere Industriechemikalien zu verwandeln

Bäume sind die am häufigsten vorkommende natürliche Ressource auf der Erde, und Wissenschaftler und Ingenieure der North Carolina State University machen Fortschritte bei der Suche nach Möglichkeiten, sie als nachhaltige, umweltfreundliche Alternative zur Produktion von Industriechemikalien aus Erdöl zu nutzen.

Lignin, ein Polymer, das Bäume steif und widerstandsfähig gegen Abbau macht, hat sich als problematisch erwiesen. Jetzt wissen diese Forscher des NC State, warum. Sie identifizierten die spezifische molekulare Eigenschaft von Lignin (seinen Methoxygehalt), 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, korrespondierender Autor eines Artikels in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte Einzelheiten zur Entdeckung.

Kellys Gruppe hat bereits nachgewiesen, dass bestimmte extrem thermophile Bakterien, die an Orten wie den heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks gedeihen, Baumzellulose abbauen können, allerdings „nicht in großem Maße“, erklärte er. „Mit anderen Worten, nicht auf einem Niveau, das für die industrielle Chemieproduktion wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll wäre.“

Kelly erklärt: „Es stellt sich heraus, dass mehr als nur ein niedriger Ligningehalt im Spiel ist.“

Um das Problem des hohen Ligningehalts in Bäumen zu umgehen, arbeitet Kelly, Direktorin des Biotechnologieprogramms des US-Bundesstaates North Carolina und Alcoa-Professorin in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, seit mehr als zehn Jahren mit außerordentlichem Professor Jack Wang, dem Vorsitzenden der Abteilung, zusammen. der Forstbiotechnologie. Programm am College of Natural Resources der NC State. Wang ist außerdem Fakultätsmitglied der NC Plant Sciences Initiative.

Wie in der Zeitung berichtet Wissenschaft Im Jahr 2023 nutzten Wang und Kollegen die CRISPR-Genombearbeitungstechnologie, um Pappeln mit verändertem Ligningehalt und veränderter Ligninzusammensetzung zu erzeugen. Sie konzentrierten sich auf Pappeln, weil sie schnell wachsen, nur einen minimalen Einsatz von Pestiziden erfordern und auf marginalem Land wachsen, auf dem sich nur schwer 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. Wie sein früherer Ph.D. erklärte der Student Ryan Bing: 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, der jetzt arbeitet als leitender Stoffwechselingenieur für Capra Biosciences in Sterling, Virginia.

„Die Frage war: Warum? Was macht eine Pflanze besser als eine andere?“ er erklärte. „Wir haben eine Antwort auf diese Frage gefunden, indem wir untersucht haben, wie diese Bakterien Pflanzenmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung fressen.“

In einer Folgestudie testeten Kelly und Bing, inwieweit ein ursprünglich aus den heißen Quellen Kamtschutkas in Russland isoliertes gentechnisch verändertes Bakterium Anaerocellum bescii von Wang modifizierte Pappeln mit deutlich unterschiedlichem Ligningehalt und -zusammensetzung zerstörte.

Die Forscher fanden heraus, dass der Baum umso besser abbaubar war, je niedriger der Methoxyligningehalt war.

„Damit wurde das Rätsel gelöst, warum ein geringer Ligningehalt allein nicht der Schlüssel ist: Der Teufel steckt im Detail“, sagte Kelly. „Ein niedriger Methoxygehalt macht Cellulose wahrscheinlich besser für Bakterien verfügbar.“

Wang hatte Pappeln mit niedrigem Ligningehalt gezüchtet, um besser für die Herstellung von Papier und anderen Faserprodukten geeignet zu sein. Neuere Untersuchungen legen jedoch nahe, dass künstliche Pappeln, die nicht nur einen niedrigen Ligningehalt, sondern auch einen niedrigen Methoxygehalt aufweisen, am besten für die Herstellung von Chemikalien durch mikrobielle Fermentation geeignet sind.

Wangs künstliche Pappeln wachsen gut in Gewächshäusern, es liegen jedoch noch keine Feldtestergebnisse vor. Kellys Gruppe hat bereits 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 den Pappeln herstellen, jetzt, da wir den Marker kennen, nach dem wir suchen müssen: das Methoxy.“ Inhalt. “.

Dies gibt Forschern wie Wang ein konkretes Ziel, Pappellinien zu produzieren, die sich am besten für die chemische Produktion eignen. Um diese Frage zu beantworten, haben Wang und Kollegen kürzlich Feldversuche mit fortschrittlich mit Lignin modifizierten Pappeln initiiert.

Derzeit ist es möglich, auf traditionelle Weise Chemikalien aus Bäumen herzustellen: Das Holz wird in kleinere Stücke geschnitten 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 Cellulose in Einfachzucker eingesetzt werden, sie müssen dem Prozess jedoch kontinuierlich zugesetzt werden. Manche Mikroorganismen hingegen produzieren kontinuierlich Schlüsselenzyme, die den mikrobiellen Prozess wirtschaftlicher machen, erklärte er.

„Sie können auch einen viel besseren Job machen als Enzyme und Chemikalien“, fügte Kelly hinzu. „Sie spalten Zellulose nicht nur auf, sondern vergären sie auch in einem Schritt zu Produkten wie Ethanol.“

„Durch die hohen Temperaturen, bei denen diese Bakterien wachsen, entfällt auch die Notwendigkeit, unter sterilen Bedingungen zu arbeiten, wie dies bei weniger thermophilen Mikroorganismen erforderlich wäre, um eine Kontamination zu vermeiden“, fügte er hinzu. „Das bedeutet, dass der Prozess der Umwandlung von Bäumen in Chemikalien wie ein herkömmlicher industrieller Prozess funktionieren kann, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass er übernommen wird.“

Daniel Sulis, ein weiterer Autor des Papiers und Postdoktorand in Wangs Labor, sagte, dass durch den Klimawandel verursachte Umweltkatastrophen den dringenden Bedarf an Forschung verdeutlichen, die darauf abzielt, 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 Ergebnisse bringen nicht nur das Fachgebiet voran, sondern legen auch den Grundstein für weitere Innovationen bei der Nutzung von Bäumen für nachhaltige biobasierte Anwendungen.“