Billigerer Treibstoff aus selbstzerstörenden Bäumen

Holz eignet sich hervorragend zum Bauen und Heizen von Häusern, aber es ist der Fluch der Biokraftstoffe. Bei der Umwandlung von Pflanzen in Kraftstoffe müssen die Ingenieure einen wichtigen Holzbestandteil, das Lignin, entfernen, um zu der zuckerhaltigen Cellulose zu gelangen, die zu Alkoholen und anderen energiereichen Verbindungen fermentiert wird. Dies ist teuer, da normalerweise hohe Temperaturen und ätzende Chemikalien erforderlich sind. Jetzt haben Forscher in den USA und Kanada das Lignin in Pappeln so verändert, dass es sich unter milden Verarbeitungsbedingungen selbst zerstört - ein Trick, der die Kosten für die Umwandlung von Pflanzenbiomasse in Biokraftstoffe senken könnte.

"Diese Arbeit hat das Potenzial, die Ökonomie des Ligninabbaus grundlegend zu verändern", sagt Ronald Sederoff, Pflanzengenetiker an der North Carolina State University in Raleigh. Wenn die Forscher landwirtschaftlichen Pflanzen wie Mais und Energiepflanzen wie Switchgrass das gleiche selbstzerstörende Lignin zusetzen können, könnte dies bereits zu einer Öffnung der Zapfen für Zelluloseethanol führen, das aus pflanzlichen Abfällen und nicht aus Nahrungsmitteln hergestellt wird. Das US-Energieministerium hat eine Reihe von Herstellern von Zelluloseethanol unterstützt und für 2007 prognostiziert, dass sie in diesem Jahr mehr als 6 Milliarden Liter Zelluloseethanol produzieren werden. In diesem Jahr dürfte die tatsächliche Produktion jedoch nur 1% des Volumens betragen.

Das Problem ist das Lignin. Mehr als zwei Drittel des Pflanzenmaterials bestehen aus Cellulose- und Hemicellulosefasern, die beide aus langen Glucoseketten und anderen Zuckermolekülen bestehen. Ein Großteil des Restes ist das Lignin, das sich zwischen die anderen Fasern klemmt und sie zusammenklebt, was für Steifheit sorgt und verhindert, dass Krankheitserreger auf den zuckerhaltigen Stoffen zu Mittag essen. Um diesen Klebstoff zu entfernen, erhitzen die Ingenieure die Biomasse in der Regel mehrere Stunden lang in Gegenwart von Natriumhydroxid oder anderen alkalischen Verbindungen, die Lignin zersetzen, auf 170 ° C. Diese „Vorbehandlung“ macht zwischen einem Viertel und einem Drittel der Kosten für die Herstellung von Zellulose-Ethanol aus, sagt Bruce Dale, Chemieingenieur und Experte für Biomasse-Vorbehandlung an der Michigan State University in East Lansing.

Pflanzenbiologen haben jahrzehntelang versucht, ihre Probleme mit Lignin zu umgehen. Ein früher Ansatz verringerte die Expression von Pflanzen-Lignin produzierenden Genen. Aber das schlug fehl, als die Pflanzen entweder mit verkümmertem Wachstum aufwuchsen oder umkippten, wenn sie von einem Windstoß getroffen wurden. "Pflanzen brauchen wirklich Lignin", sagt John Ralph, ein Pflanzenbiochemiker an der Universität von Wisconsin, Madison.

Unter den Strategien für den Umgang mit Lignin haben zahlreiche Teams versucht, die Chemikalien, aus denen Lignin besteht, zu verändern. Obwohl die Struktur des Lignins von Spezies zu Spezies variiert, setzen die meisten Pflanzen es aus drei Hauptbausteinen zusammen, die als Coniferylalkohol (CA), Sinapylalkohol (SA) und p- Cumarylalkohol bezeichnet werden, wobei Ketten gebildet werden, die als G-Lignin, S-Lignin und H abgekürzt werden jeweils Lignin. Mehrere Teams haben Pflanzengene manipuliert, um die Anteile der Bausteine ​​zu ändern, in der Hoffnung, ein Lignin zu erzeugen, das sich leichter abbauen lässt. Forscher unter der Leitung von Clint Chapple von der Purdue University berichteten letzten Monat in Nature, dass Pflanzen, die so konstruiert sind, dass sie nur zwergartiges H-Lignin produzieren, durch das Ausschalten bestimmter regulatorischer Gene jedoch fast zu einer normalen Größe heranwachsen konnten. H-Lignine geben ihren Zucker mit weniger Vorbehandlung auf, aber die chemischen Bindungen zwischen den verbleibenden Ligninmolekülen sind immer noch schwer zu brechen.

Ralph und seine Kollegen entschieden sich für einen anderen Weg. Anstatt die Anteile der Lignin-Bausteine ​​zu verändern, fügten sie eine neue Ferulasäure (FA) hinzu, die sich mit CA- und SA-Bausteinen paart. Diese Paare bilden dann Bindungen mit ihren Nachbarn, die für Chemiker leichter zu brechen sind. (Einige Pflanzen verwenden diese FA-kontinierenden Paare auf natürliche Weise zur Herstellung von Ligninen, die als Pflanzenschutzmittel dienen, sagt Ralph.) Sie hofften, dass sie durch Einführung gepaarter Bausteine ​​im gesamten Lignin die Struktur des Lignins später während der Vorbehandlung „entpacken“ könnten.

Es dauerte mehrere Jahre, bis das Kunststück geschafft war. Ralphs Team musste die Gene für die Synthese von FA-haltigen Bausteinen isolieren, sie in Pflanzen einfügen, zeigen, dass die Pflanzen die Verbindungen herstellen, sie an die Zellwände senden und sie in Lignine einbauen konnten. Aber heute online in Science berichten Ralph und seine Kollegen, dass sie jetzt „Zip-Lignine“ in jungen Pappeln hergestellt haben. Die Pflanzen sehen gesund aus und zeigen im Gewächshaus jedes Anzeichen von normalem Wachstum. Wenn sie jedoch gemahlen und einer milden Base bei 100 ° C ausgesetzt werden, zerfallen die Lignine leicht und setzen unter den gleichen Bedingungen doppelt so viele Zucker frei wie ihre Wildtyp-Verwandten. "Es ist die vielversprechendste Methode, um Lignin zu verändern, die ich bisher gesehen habe", sagt Sederoff.

Laut Ralph arbeitet sein Team bereits daran, Zip-Lignine in Maispflanzen einzufügen. Gelingt dies, könnten Unternehmen, die sich mit Biokraftstoffen auf Zellulosebasis beschäftigen, ernsthaftes Geld sparen und möglicherweise sogar die Rentabilität steigern, so Dale. Es könnte auch eine neue Generation von Bioraffinerien entstehen, die pflanzliche Cellulose in Kunststoffe und andere industrielle Materialien umwandeln. Aber Dale und andere warnen davor, dass es ein Jahrzehnt oder länger dauern könnte. Alle neu entwickelten Pflanzen und Bäume müssen noch im Feld getestet werden, um zu zeigen, dass sie normal wachsen und unter anderem nicht anfälliger für Schädlinge sind. Dann müssen die Forscher auch nachweisen, dass sie in Pilot- und Demonstrations-Bioraffinerien wirtschaftlich erfolgreich sind. Aber wenn die Strategie funktioniert, finden Biokraftstoffhersteller möglicherweise endlich einen Ausweg aus dem Klebstoff, der sie seit Jahrzehnten gefangen hält.