Forscher haben Pappeln verändert, um Squalen zu synthetisieren, eine wertvolle Chemikalie, die normalerweise aus Haifischleber gewonnen wird

Was haben Pappeln, Haie und Biokraftstoffe gemeinsam? Es mag wie ein Rätsel erscheinen, aber ein Team unter der Leitung von Biochemikern der Michigan State University hat aufregende Ergebnisse zu diesen drei Arten auf der Suche nach sauberer Energie gemeldet.

Veröffentlicht im Zeitschrift für PflanzenbiotechnologieIn der neuesten Arbeit des Teams wird untersucht, wie Pappeln verändert werden können, um eine hochwertige Chemikalie herzustellen, die typischerweise aus Haifischleber gewonnen wird.

Die Veränderung von Pappeln zur Produktion dieser Chemikalie würde ihre wirtschaftliche Rentabilität als bereits vielversprechende Quelle für Biokraftstoffe erheblich steigern und auch dazu beitragen, die zerstörerische Haijagd einzudämmen.

„Ich denke, dieses Projekt zeigt wirklich, wie wir Industriepflanzen auf neue Weise nutzen können“, sagte Jake Bibik, Erstautor der Arbeit und ehemaliger Doktorand im Labor des Michigan State-Forschers Björn Hamburger.

„Die Verwendung von gentechnisch veränderten Non-Food-Pflanzen wie Pappel könnte eine nachhaltigere Alternative für die Produktion von Chemikalien darstellen, die typischerweise aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden, oder sogar für neue Spezialchemikalien. »

Mehr Preis-Leistungs-Verhältnis

Pappeln allein erfüllen mehrere notwendige Voraussetzungen, um ein effektiver Rohstoff für die Biokraftstoffproduktion zu sein.

Sie wachsen schnell auf Flächen, die nicht landwirtschaftlich genutzt werden, und ihre Biomasse – die organische Substanz, in der Energie gespeichert wird – kann für die Produktion von Biokraftstoffen abgebaut und fermentiert werden.

Eine der größten Herausforderungen liegt in der einfachen Ökonomie. „Biokraftstoffe sind immer noch nicht konkurrenzfähig zu den billigen Petrochemikalien, die es gibt“, sagte Hamberger, James K. Billman Scholar Professor in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie am College of Natural Science.

Hamberger ist außerdem Co-Forscher am Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), einem Bioenergie-Forschungszentrum unter der Leitung der University of Wisconsin-Madison.

GLBRC-Wissenschaftler suchen seit langem nach Möglichkeiten, andere hochwertige Produkte aus Biomasse zu gewinnen. Untersuchungen haben gezeigt, dass Pappel eine brauchbare Quelle für p-Aminophenol sein kann, das zur Herstellung von Farbstoffen, Klebstoffen und anderen Polymeren verwendet wird, sowie für Paracetamol, den Wirkstoff in Tylenol.

Als Hamberger 2015 dem Zentrum beitrat, schlug er vor, sich mit Terpenen zu befassen, einer Gruppe chemischer Verbindungen, die Pflanzen für einzigartige Wechselwirkungen mit der Umwelt nutzen, etwa um Bestäuber anzulocken oder sich gegen Schädlinge zu verteidigen.

„Terpene sind die älteste und größte Klasse spezialisierter Metaboliten auf dem Planeten“, sagte Hamberger, der auch Fakultätsmitglied in den Programmen „Molekulare Pflanzenwissenschaften“, „Genetik und Genomwissenschaften“ sowie „Zellbiologie“ und „Molekularbiologie“ der MSU ist.

„Da sie für alle Arten von Interaktionen wichtig sind, hat ihre Vielfalt einen spektakulären Punkt erreicht, an dem die Chemie zwischen ihnen einfach atemberaubend ist. »

Terpene werden seit Jahrtausenden von Menschen verwendet, besitzen entzündungshemmende, antimikrobielle, krebshemmende und antibakterielle Eigenschaften und sind Schlüsselbestandteile von Aromen, Kosmetika und Parfüms, um nur einige Anwendungen zu nennen.

Bibik, Hamberger und ihre Mitarbeiter zielten auf ein Terpen namens Squalen ab, eine organische Verbindung, die häufig in Kosmetikprodukten verwendet wird und ein entscheidender Bestandteil von Impfstoffen ist.

Heutzutage stammt das meiste Squalen aus Haifischleber. Tatsächlich stammt der Name der Chemikalie sogar vom lateinischen Wort für Hai, squalus.

Während des Projekts hat das Team Pappeln so manipuliert, dass sie Squalen über zwei unterschiedliche chemische Wege produzieren.

Ein Weg nutzte eine gelatineartige Substanz namens Cytosol, die sich im Zentrum von Zellen befindet, während ein anderer darauf abzielte, Squalen in Chloroplasten zu produzieren, den Organellen, die für die Photosynthese verantwortlich sind.

„Durch die Umleitung von Kohlenstoff aus dem regulären Stoffwechsel, um spezielle Chemikalien in einzigartigen Pappelgeweben und -tröpfchen herzustellen, nutzen Hamberger und sein Team eine äußerst innovative Strategie, um Bäume in biologische Fabriken zu verwandeln“, sagte Professor Shawn Mansfield von der Pappelverarbeitung der University of British Columbia Experte und Mitwirkender des letzten Artikels.

„Es ist aufregend, Teil dieses sehr innovativen und avantgardistischen Projekts zu sein. »

Während der Zytosolweg die Wurzelbildung der Pappel stört, führt der Chloroplastenweg zur Produktion von 0,63 Milligramm Squalen pro Gramm in den Blättern.

Angesichts dieses vielversprechenden Ergebnisses war es Zeit für das, was Hamberger einen „Realitätscheck“ nennt.

Ich suche nach einem Upgrade

In Zusammenarbeit mit Christos Maravelias, einem Professor für chemische und biologische Ingenieurwissenschaften an der Princeton University, führte das Team anschließend eine Analyse durch, um den Mindestverkaufspreis zu ermitteln, zu dem das aus Pappeln hergestellte Squalen verkauft werden müsste, um die Rentabilitätsschwelle zu erreichen.

Forscher fanden heraus, dass dieser Wert bei 144 US-Dollar pro Kilo liegt. Aus Haien gewonnenes Squalen kostet 40 US-Dollar pro Kilo.

„Wenn Sie einem Kunden ein umweltfreundliches Produkt verkaufen möchten, darf es nicht nur umweltfreundlich sein, es muss auch erschwinglich sein“, sagte Hamberger.

„Glücklicherweise gibt es mehrere Möglichkeiten, den Wert von Bernstein zu steigern. Das eine ist die Steigerung der Gesamtproduktion, das andere führt uns in die coole Welt der Parfüme und eines anderen Meerestierprodukts: Ambra. »

Ambra wird im Verdauungssystem von Pottwalen produziert und in Parfüms verwendet, um den Duft zu verlängern.

Laut Hamberger soll es möglich sein, Squalen in Amberin „umzuwandeln“, ein weiteres hochwertiges Terpen, aus dem Ambra besteht. Wissenschaftler haben bereits gezeigt, dass Bakterien so manipuliert werden können, dass sie Amberin produzieren, und ebnen damit den Weg für weitere Forschungen, wie Pappeln dasselbe tun könnten.

Darüber hinaus zeigte Tom Sharkey, ein weiterer MSU-Mitarbeiter des Artikels, dass Pappelbäume, die zur Produktion von Squalen modifiziert wurden, weniger Isoprengas ausstoßen, das indirekt zum Treibhauseffekt beiträgt.

„Jake, Björn und ihre Kollegen arbeiten an einer Methode, die vielleicht die vielversprechendste für die Herstellung spezieller Chemikalien und Kraftstoffe für Fälle ist, in denen nur flüssiger Kraftstoff ausreicht, beispielsweise für Düsenflugzeuge“, sagte Sharkey, emeritierter Universitätsprofessor am BMB. Sharkey ist außerdem mit dem Plant Research Laboratory des MSU Department of Energy und dem Plant Resilience Institute verbunden.

Mit diesen gemeinsamen Ergebnissen haben Forscher neue Wege beschritten, um Pappeln in eine noch attraktivere Quelle für Biokraftstoffe und wertvolle Verbindungen zu verwandeln.

Für Bibik, der heute leitender Wissenschaftler beim Biotechnologieunternehmen MelaTech ist, stellen die Ergebnisse des Teams letztendlich einen weiteren Schritt dar, die biochemische Vielfalt unseres Planeten zu nutzen, um einige seiner größten Herausforderungen zu bewältigen.

„Ich glaube, dass diese Arbeit dazu beiträgt, eine solide Grundlage zu schaffen, die notwendig ist, um Pflanzenbau und Terpenoidforschung in sinnvolle Biotechnologien umsetzen zu können.“ »