Chemiker haben den Schlüssel zur Verbesserung der Produktion von Biokraftstoffen und Biomaterialien gefunden

Spektroskopie-Methode bietet künftig die Möglichkeit, komplexe Biomoleküle in verschiedenen Pflanzen zu untersuchen

08.02.2022 - USA

Da die Welt nach nachhaltigeren Energie- und Materialquellen sucht und verlangt, könnte pflanzliche Biomasse als erneuerbare Ressource für die Herstellung von Biomaterialien und Biokraftstoffen die Lösung sein. Bislang waren jedoch die komplexen physikalischen und chemischen Wechselwirkungen in pflanzlicher Biomasse eine Herausforderung für die Verarbeitung nach der Ernte.

In einer neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigen Tuo Wang, Associate Professor am LSU Department of Chemistry, und sein Forschungsteam, wie Kohlenhydrate mit dem aromatischen Polymer Lignin interagieren, um Pflanzenbiomasse zu bilden. Diese neuen Informationen können dazu beitragen, die Entwicklung besserer Technologien zur Nutzung von Biomasse für Energie und Materialien voranzutreiben.

Das Wang-Forschungsteam untersuchte die nanoskalige Zusammensetzung von Lignozellulosebestandteilen in verschiedenen Pflanzenarten, darunter Gräser sowie Laub- und Nadelholzarten. Die Gräser enthalten viele Nahrungspflanzen, wie z. B. Mais, und sind das wichtigste Ausgangsmaterial für die Biokraftstoffproduktion in den USA. Holzpflanzen, die häufig für Baumaterialien verwendet werden, sind vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Biokraftstoffen, um die Abhängigkeit von Nahrungspflanzen zu verringern.

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Das Team nutzte sein Fachwissen im Bereich der magnetischen Festkörperresonanzspektroskopie, um die nanoskalige Organisation der Lignin-Kohlenhydrat-Grenzflächen in den drei Pflanzenarten zu vergleichen und aufzuzeigen, wie die Strukturen der Biopolymere ihre Verbindung mit anderen Zellwandkomponenten beeinflussen.

"Wir entdeckten, dass die Hemizellulose Xylan ihre flache Struktur nutzt, um Zellulose-Mikrofibrillen zu binden, und sich hauptsächlich auf ihre nicht flache Struktur verlässt, um mit Lignin-Nanodomänen zu assoziieren", sagte Wang. "In den dicht gepackten holzigen Materialien ist die Zellulose jedoch gezwungen, auch als sekundärer Interaktor mit Lignin zu dienen.

Die neu entdeckten, hochauflösenden Informationen über die Organisation der Lignin-Kohlenhydrat-Grenzflächen haben die Erforschung pflanzlicher Biomaterialien neu gestaltet. Durch die Spektroskopie-Methode wurden die untersuchten Proben in ihrem nativen Zustand belassen, ohne dass sie chemisch gestört wurden. Die Ergebnisse enthüllten strukturelle Unterschiede im Zellwandaufbau der verschiedenen Pflanzen.

Das Forschungsteam bestand aus den LSU-Diplomstudenten Alex Kirui und Wancheng Zhao sowie den Postdoktoranden Fabien Deligey und Xue Kang aus der Wang-Forschungsgruppe, Frederic Mentink-Vigier, einem Experten für dynamische Kernpolarisationstechnik am National High Magnetic Field Laboratory (Tallahassee, Florida), der an dem Projekt mitwirkte, und Hui Yang von der Pennsylvania State University, der umfangreiches Fachwissen im Bereich Modellierung beisteuerte.

Mit dieser Methode können in Zukunft komplexe Biomoleküle in verschiedenen Pflanzen und gentechnisch veränderten Mutanten untersucht werden, was die Entwicklung besserer Technologien für die Produktion von biorenativen Energien und Biomaterialien unterstützen wird.

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