Bioenergiewissenschaftler entdecken genetischen Weg für eine bessere Verarbeitung von Biokraftstoffen

Ein Forscherteam, das am Center for Bioenergetics Innovation (CBI) des Oak Ridge National Laboratory arbeitet, hat einen Weg entdeckt, um eine Art der Ligninbildung in Pflanzen zu fördern, die die Umwandlung von Pflanzen erleichtern und reduzieren könnte, die für Produkte wie nachhaltige Flugzeugtreibstoffe angebaut werden. Sehr geehrter.

Die Forscher konzentrierten sich auf C-Lignin, ein Polymer, das in der Samenschale bestimmter exotischer Pflanzen vorkommt. Lignin, das Polymer, das Pflanzen ihre Steifigkeit verleiht, ist eine gute Quelle für die Bausteine ​​und aromatischen Chemikalien, die zur Herstellung sauberer Biokraftstoffe benötigt werden. Aber Lignin ist auch schwierig zu verarbeiten, insbesondere die häufigeren G- und S-Lignine, die in den meisten Pflanzen vorkommen.

C-Lignin hat eine linearere chemische Struktur als andere Lignine, was seinen Abbau erleichtert. Wissenschaftler des CBI, eines Bioenergie-Forschungszentrums des US-Energieministeriums, haben nun den genetischen Mechanismus identifiziert, der an der Bildung dieses bevorzugten Lignins C beteiligt ist, wie in ausführlich beschrieben Wissenschaftler kommen voran. Wissenschaftler hoffen, bioenergetische Kulturen zur Bildung von C-Lignin zu entwickeln und gleichzeitig das Wachstum von G/S-Ligninen zu begrenzen, was zu einer erschwinglicheren und ertragreicheren Bioverarbeitung führen könnte.

G/S-Lignine bilden polymere Strukturen ähnlich einem Fischernetz mit Zweigen und Knoten, während C-Lignin eher wie eine Schnur ist, erklärte Jerry Tuskan, Geschäftsführer von CBI bei ORNL. „Sie können sich vorstellen, dass es schwieriger wäre, ein Fischernetz zu trennen als eine Schnur, die sich löst.“

Tuskan sagte, dass die Forscher dieses Polymer in Zukunft in ihre wichtigsten Pappel- und Rutenhirse-Ausgangsmaterialien integrieren wollen, um dabei zu helfen, ihre Zellwände aufzubrechen, um sie in nachhaltige Flugkraftstoffe umzuwandeln.

Das BioDiscovery Institute der University of North Texas, ein CBI-Partner und leitende Institution des Projekts, untersucht C-Lignin seit einiger Zeit, seit der Universitätsforscher Fang Cheng erstmals das Vorhandensein des Polymers in den Hüllen der Vanilleschote entdeckte 2011.

„Wie stellt man Lignin C in einer Pflanze her, die es normalerweise nicht herstellt?“ fragte Richard Dixon, emeritierter Forschungsprofessor für Biowissenschaften an der UNT. „Wir sind das auf zwei Arten angegangen. Eine davon ist eine Art Trial-and-Error und Vermutungen – es in die Pflanzen zu geben, die es nicht natürlich tun, und zu sehen, was passiert. Die andere versucht, wirklich zu verstehen, wie C-Lignin ist hergestellt in einer Anlage, die es auf natürliche Weise herstellt.“

Wissenschaftler beobachten vollständigen Wechsel zu Lignin C

Chunliu Zhuo, ein Postdoktorand am UNT, machte kürzlich eine neue Entdeckung darüber, wie Pflanzen C-Lignin herstellen, während sie Cleome oder Spinnenpflanzen untersuchten. Cleome stellt in den ersten 12-14 Tagen nach der Bestäubung G-Lignin in ihren Samenschalen her. Dann wird darauf umgestellt, nur noch C-Lignin herzustellen.

„Sie stellen sich vor, dass das Cleome, wenn es irgendwann von G-Lignin zu C-Lignin wechselt, gemischtes GC-Lignin produzieren könnte“, sagte Dixon. „Ist es nicht. Es ist ziemlich bemerkenswert. Es verändert sich komplett.“

Am ORNL informierte ein Team unter der Leitung von Tim Tschaplinski von der Biosciences Division die Forschung mit einer Analyse der C-Lignin-Bildung auf molekularer Ebene.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich die Bausteine ​​beider Ligninarten immer noch in Pflanzen befinden, aber sie verbinden sich nicht beide, um die Ligninketten zu bilden, ein Prozess, der als Polymerisation bekannt ist. Sie schwimmen in Zellen, binden aber nicht unter Bildung von G/C-Lignin.

„Ich war total überrascht von den G-Bausteinen. Wir haben festgestellt, dass selbst später in der Entwicklung kein G-Lignin hergestellt wird, aber es gibt immer noch eine große Menge an G-Bausteinen. Und sie werden immer noch hergestellt“, sagte Zhuo. „Das veranlasste uns, uns anzusehen, wie die Pflanze das macht. Warum stellt sie nur C-Lignin her, wenn doch so viele freie G-Bausteine ​​in der Nähe sind?“

Die Forscher erwarteten, dass in der Pflanze ein komplizierter Prozess mit Enzymen und mehreren Schritten ablaufen würde, aber weil die Veränderung so plötzlich und vollständig zu sein scheint, glauben sie jetzt, dass der Prozess tatsächlich viel einfacher ist, als sie vorher nicht dachten.

„Da es zur gleichen Zeit passiert und sich Lignin C in letzter Zeit in vielen Pflanzenarten entwickelt hat“, sagte Dixon, „bedeutet das, dass es einfach sein muss.“

„Es ist nicht so, als hätten Pflanzen vor 100 oder 200 Millionen Jahren plötzlich Lignin C entwickelt und jetzt haben sie alle es. Es ist nur so, dass einige es haben und andere nicht, obwohl sie eng verwandte Arten sind“, bemerkte Dixon. „Chunliu entdeckte, dass sobald die Pflanze die C-Bausteine ​​herstellt, die Umwandlung der G-Bausteine ​​in Lignin gehemmt wird.“

Die Entdeckung bringt das Ziel besserer Biomasse-Pflanzen voran

Forscher glauben nun, dass Lignin-C-Bausteine ​​dazu beitragen, die Bildung von Ketten mit G-Bausteinen zu verhindern. Durch das Verständnis dieses Mechanismus sind Wissenschaftler der Entwicklung von Nutzpflanzen, die hauptsächlich Lignin C enthalten, einen Schritt näher gekommen als sie dachten. Sie müssten nur Gene einführen, die Lignin C aktivieren, nicht aktivieren und dann Lignin G hemmen, was sie ursprünglich erwartet hatten.

„Es bringt uns dem Engineering von Pflanzen mit Lignin C in dem Sinne näher, dass es uns etwas sagt, das wir nicht tun müssen, etwas, worüber wir uns keine Sorgen machen müssen“, sagte Dixon.

„Bis zu dieser Entdeckung war C-Lignin als kleinerer, untergeordneter Bestandteil größerer Ligninmoleküle bekannt, die in Pflanzenzellwänden vorkommen“, sagte Tuskan. „Es wurde nie als groß genug angesehen, um kommerziell wichtig zu sein. Aber jetzt können wir durch das Einbringen von Lignin C in die Zellwände den Energiebedarf für den Abbauprozess reduzieren. Diese Arbeit ist einer von vielen Schritten in Richtung einer wirtschaftlich tragfähige Bioökonomie.