Entengrütze zur Gewinnung von Öl für Biokraftstoffe und Bioprodukte

In dem Artikel wird beschrieben, wie die Wissenschaftler eine Entengrütze, Lemna japonica, so verändert haben, dass sie fast 10 Prozent ihres Trockengewichts an Biomasse an Öl anreichert. Das ist eine dramatische Steigerung um das 100-fache im Vergleich zu solchen Pflanzen, die in der freien Natur wachsen - mit Erträgen, die mehr als siebenmal höher sind als die von Sojabohnen, der derzeit größten Quelle für Biodiesel.

"Entengrütze wächst schnell", sagt der Biochemiker John Shanklin vom Brookhaven Lab, der das Team leitete. "Sie hat nur winzige Stängel und Wurzeln, so dass der größte Teil ihrer Biomasse in blattähnlichen Wedeln steckt, die weltweit auf der Oberfläche von Teichen wachsen. Unsere Technik sorgt für einen hohen Ölgehalt in all dieser Biomasse.

"Der Anbau und die Ernte dieser manipulierten Wasserlinse in Chargen und die Extraktion ihres Öls könnten ein effizienter Weg zur erneuerbaren und nachhaltigen Ölproduktion sein", sagte er.

Zwei zusätzliche Vorteile: Als Wasserpflanze konkurriert die ölproduzierende Wasserlinse nicht mit dem Nahrungsmittelanbau um die besten landwirtschaftlichen Flächen. Sie kann sogar auf Abwässern von Schweine- und Geflügelfarmen wachsen.

"Das bedeutet, dass diese Pflanze möglicherweise landwirtschaftliche Abfallströme säubern könnte, während sie Öl produziert", so Shanklin.

Zwei Forschungseinrichtungen auf Long Island im Einsatz

Das aktuelle Projekt hat seine Wurzeln in der Forschung des Brookhaven Labs über Wasserlinsen aus den 1970er Jahren, die von William S. Hillman in der Abteilung für Biologie geleitet wurde. Später arbeiteten andere Mitglieder des Fachbereichs Biologie mit der Martienssen-Gruppe in Cold Spring Harbor zusammen, um eine hocheffiziente Methode für die Expression von Genen anderer Arten in Wasserlinsen zu entwickeln, zusammen mit Ansätzen zur Unterdrückung der Expression von Wasserlinsen-eigenen Genen, wie gewünscht.

Als Brookhaven-Forscher unter der Leitung von Shanklin und Jorg Schwender in den letzten zwei Jahrzehnten die wichtigsten biochemischen Faktoren identifizierten, die die Ölproduktion und -akkumulation in Pflanzen steuern, bestand ein Ziel darin, dieses Wissen und die genetischen Werkzeuge zu nutzen, um zu versuchen, die Ölproduktion von Pflanzen zu verändern. In den jüngsten Forschungsarbeiten, über die hier berichtet wird, wurde dieser Ansatz getestet, indem die Gene, die diese Ölproduktionsfaktoren steuern, in Wasserlinsen eingebaut wurden, um deren kombinierte Auswirkungen zu untersuchen.

"Das aktuelle Projekt vereint die Expertise des Brookhaven Labs in der Biochemie und Regulierung der pflanzlichen Ölbiosynthese mit den hochmodernen Genomik- und Genetikfähigkeiten von Cold Spring Harbor", so Shanklin.

Eines der von den Brookhavener Forschern identifizierten Ölproduktionsgene treibt die Produktion der Grundbausteine des Öls, der so genannten Fettsäuren, voran . Ein anderes setzt diese Fettsäuren zu Molekülen zusammen, die als Triacylglycerine (TAG) bezeichnet werden - Kombinationen aus drei Fettsäuren, die sich zu den Kohlenwasserstoffen verbinden, die wir Öle nennen. Das dritte Gen produziert ein Protein, das die Öltröpfchen in den Pflanzengeweben umhüllt und sie so vor dem Abbau schützt.

In Vorarbeiten fanden die Wissenschaftler heraus, dass ein erhöhter Fettsäuregehalt, der durch das "Push"-Gen ausgelöst wird, schädliche Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum haben kann. Um diese Auswirkungen zu vermeiden, koppelte der Postdoktorand Yuanxue Liang vom Brookhaven Lab das Gen mit einem Promotor, der durch die Zugabe einer winzigen Menge eines bestimmten chemischen Auslösers aktiviert werden kann.

"Durch das Hinzufügen dieses Promotors bleibt das Push-Gen ausgeschaltet, bis wir den Induktor hinzufügen, wodurch die Pflanzen normal wachsen können, bevor wir die Fettsäure-/Ölproduktion einschalten", so Shanklin.

Liang schuf dann eine Reihe von Genkombinationen, um die verbesserten Push-, Pull- und Protect-Faktoren einzeln, in Paaren und alle zusammen zu exprimieren. In der Veröffentlichung werden diese als W, D und O abgekürzt, um ihre biochemischen/genetischen Namen zu bezeichnen, wobei W=push, D=pull und O=protect.

Die wichtigsten Ergebnisse

Die Überexpression jeder einzelnen Genveränderung allein führte nicht zu einem signifikanten Anstieg der Fettsäurekonzentration in den Wedeln von Lemna japonica. Pflanzen, die mit allen drei Modifikationen ausgestattet waren, akkumulierten jedoch bis zu 16 Prozent ihres Trockengewichts in Form von Fettsäuren und 8,7 Prozent in Form von Öl, wenn die Ergebnisse über mehrere verschiedene transgene Linien gemittelt wurden. Die besten Pflanzen akkumulierten bis zu 10 Prozent TAG - mehr als das 100-fache der Ölmenge, die sich in unveränderten Wildtyp-Pflanzen ansammelt.

Einige Kombinationen von zwei Modifikationen (WD und DO) steigerten den Fettsäuregehalt und die TAG-Akkumulation im Vergleich zu ihren Einzelwirkungen dramatisch. Diese Ergebnisse werden als synergistisch bezeichnet, wenn die kombinierte Wirkung von zwei Genen die Produktion stärker erhöht als die Summe der beiden einzelnen Veränderungen.

Diese Ergebnisse wurden auch in Bildern von Lipidtröpfchen in den Wedeln der Pflanzen sichtbar, die mit einem konfokalen Mikroskop am Center for Functional Nanomaterials (CFN), einer Einrichtung des DOE Office of Science am Brookhaven Lab, aufgenommen wurden. Als die Wedel der Wasserlinsen mit einer Chemikalie angefärbt wurden, die an Öl bindet, zeigten die Bilder, dass Pflanzen mit jeder Zwei-Gene-Kombination (OD, OW, WD) im Vergleich zu Pflanzen, bei denen diese Gene einzeln exprimiert wurden, eine verstärkte Anhäufung von Lipidtröpfchen aufwiesen - auch im Vergleich zu Kontrollpflanzen ohne genetische Veränderung. Pflanzen der OD- und OWD-Linien wiesen beide große Öltröpfchen auf, aber die OWD-Linie hatte mehr davon und erzeugte die stärksten Signale.

"Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, Push-, Pull- und Protect-Faktoren aus verschiedenen Quellen zu testen, die Expressionsstärke der drei ölinduzierenden Gene zu optimieren und den Zeitpunkt ihrer Expression zu verfeinern", so Shanklin. "Darüber hinaus arbeiten wir daran, die Produktion vom Labor auf die industrielle Ebene zu übertragen.

Diese Arbeiten zur Maßstabsvergrößerung haben mehrere Schwerpunkte: 1) die Entwicklung von Großkulturgefäßen für den Anbau der modifizierten Pflanzen, 2) die Optimierung der Wachstumsbedingungen im großen Maßstab und 3) die Entwicklung von Methoden zur effizienten Extraktion von Öl in hohen Konzentrationen.

Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science (BER) finanziert. Das CFN wird auch vom Office of Science (BES) unterstützt.