Sind Bäume die Zukunft für die Produktion von Industriechemikalien?

Lignin, ein Polymer, das Bäume starr und widerstandsfähig gegen Abbau macht, hat sich als problematisch erwiesen. Jetzt wissen die Forscher der NC State University, warum: Sie haben die spezifische molekulare Eigenschaft von Lignin - seinen Methoxidgehalt - identifiziert, die bestimmt, wie schwierig oder einfach es wäre, Bäume und andere Pflanzen durch mikrobielle Fermentation in Industriechemikalien zu verwandeln.

Die Ergebnisse bringen uns der Herstellung von Industriechemikalien aus Bäumen als wirtschaftlich und ökologisch nachhaltige Alternative zu aus Erdöl gewonnenen Chemikalien einen Schritt näher, sagte Robert Kelly, der korrespondierende Autor eines Artikels in der Zeitschrift Science Advances, in dem die Entdeckung ausführlich beschrieben wird.

Kellys Gruppe hatte zuvor bewiesen, dass bestimmte extrem thermophile Bakterien, die an Orten wie den heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks gedeihen, die Zellulose in Bäumen abbauen können - allerdings "nicht in großem Umfang", wie er sagte. "Mit anderen Worten, nicht in dem Maße, das für die Herstellung von Industriechemikalien wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll wäre.

Kelly erklärte: "Es stellt sich heraus, dass mehr als nur ein niedriger Ligningehalt im Spiel ist."

Um das Problem des hohen Ligningehalts von Bäumen zu umgehen, arbeitet Kelly, Direktor des Biotechnologieprogramms der NC State University und Alcoa-Professor im Fachbereich Chemie- und Biomolekulartechnik, seit mehr als zehn Jahren mit Associate Professor Jack Wang zusammen, dem Leiter des Forstbiotechnologieprogramms im College of Natural Resources der NC State University. Wang ist auch Fakultätsmitglied bei der N.C. Plant Sciences Initiative.

Wie in der Zeitschrift Science 2023 berichtet, setzten Wang und seine Kollegen die CRISPR-Genom-Editing-Technologie ein, um Pappelbäume mit verändertem Ligningehalt und -zusammensetzung zu erzeugen. Sie haben sich auf Pappeln konzentriert, weil sie schnell wachsen, nur einen minimalen Einsatz von Pestiziden erfordern und auf Grenzertragsflächen wachsen, auf denen der Anbau von Nahrungsmitteln schwierig ist.

Kellys Gruppe fand heraus, dass einige, aber nicht alle dieser mit CRISPR veränderten Bäume gut für den mikrobiellen Abbau und die Fermentation geeignet sind. Wie sein ehemaliger Doktorand Ryan Bing erklärte, stellte sich heraus, dass diese Bakterien einen unterschiedlichen Appetit auf verschiedene Arten von Pflanzen haben.

"Wir können uns die Fähigkeit bestimmter thermophiler Bakterien aus heißen Quellen in Orten wie dem Yellowstone-Nationalpark zunutze machen, Pflanzenmaterial zu fressen und in interessante Produkte umzuwandeln. Diese Bakterien haben jedoch einen unterschiedlichen Appetit auf verschiedene Arten von Pflanzen", so Bing, der jetzt als leitender Stoffwechselingenieur bei Capra Biosciences in Sterling, Virginia, arbeitet.

"Die Frage war: Warum? Was macht die eine Pflanze besser als die andere", erklärt er. "Wir fanden eine Antwort auf diese Frage, indem wir untersuchten, wie diese Bakterien Pflanzenmaterial unterschiedlicher Zusammensetzung fressen.

In einer Folgestudie untersuchten Kelly und Bing, wie gut ein gentechnisch verändertes Bakterium, das ursprünglich aus heißen Quellen in Kamtschutka, Russland, isoliert worden war, Anaerocellum bescii, die von Wang manipulierten Pappeln mit deutlich unterschiedlichem Ligningehalt und -zusammensetzung abbaute.

Die Forscher fanden heraus, dass ein Baum umso besser abbaubar war, je niedriger sein Lignin-Methoxidgehalt war.

"Damit wurde das Rätsel gelöst, warum ein niedriger Ligningehalt allein nicht der Schlüssel ist - der Teufel steckt im Detail", so Kelly. "Ein niedriger Methoxidgehalt macht die Zellulose wahrscheinlich für die Bakterien besser verfügbar."

Wang hatte die Pappeln mit niedrigem Ligningehalt so entwickelt, dass sie sich besser für die Papierherstellung und andere Faserprodukte eigneten. Die jüngsten Forschungsergebnisse legen jedoch nahe, dass sich Pappeln, die nicht nur einen niedrigen Ligningehalt, sondern auch einen niedrigen Methoxidgehalt aufweisen, am besten für die Herstellung von Chemikalien durch mikrobielle Fermentation eignen.

Die von Wang entwickelten Pappeln wachsen im Gewächshaus gut, aber es liegen noch keine Ergebnisse aus Feldversuchen vor. Kellys Gruppe hat bereits gezeigt, dass Pappeln mit geringem Ligningehalt in industrielle Chemikalien wie Aceton und Wasserstoffgas umgewandelt werden können, und zwar mit günstigen wirtschaftlichen Ergebnissen und geringen Umweltauswirkungen.

Wenn sich diese Bäume in der Praxis bewähren und "wenn wir weiter daran arbeiten", so Kelly, "werden wir Mikroben haben, die große Mengen an Chemikalien aus Pappeln herstellen können, da wir jetzt den Marker kennen, nach dem wir suchen müssen - den Methoxidgehalt".

Dies gibt Forschern wie Wang ein spezifisches Ziel für die Erzeugung von Pappellinien, die sich am besten für die chemische Produktion eignen. Wang und seine Kollegen haben vor kurzem Feldversuche mit fortschrittlichen, ligninmodifizierten Pappelarten gestartet, um diese Frage zu klären.

Derzeit ist die Herstellung von Chemikalien aus Bäumen mit herkömmlichen Mitteln möglich - das Holz wird in kleinere Stücke gehackt und dann mit Chemikalien und Enzymen für die weitere Verarbeitung vorbehandelt.

Der Einsatz von Mikroben zum Abbau von Lignin bietet Vorteile, wie etwa einen geringeren Energiebedarf und eine geringere Umweltbelastung, so Kelly.

Enzyme können verwendet werden, um Zellulose in Einfachzucker aufzuspalten, aber sie müssen dem Prozess ständig zugeführt werden. Bestimmte Mikroorganismen hingegen produzieren kontinuierlich die Schlüsselenzyme, die den mikrobiellen Prozess wirtschaftlicher machen, sagte er.

"Sie können auch viel besser arbeiten als Enzyme und Chemikalien", fügte Kelly hinzu. "Sie bauen nicht nur die Zellulose ab, sondern vergären sie auch zu Produkten wie Ethanol - alles in einem Schritt.

"Die hohen Temperaturen, bei denen diese Bakterien wachsen, machen es außerdem überflüssig, unter sterilen Bedingungen zu arbeiten, wie man es bei weniger thermophilen Mikroorganismen tun müsste, um eine Kontamination zu vermeiden", fügte er hinzu. "Das bedeutet, dass das Verfahren zur Umwandlung von Bäumen in Chemikalien wie ein herkömmliches industrielles Verfahren funktionieren kann, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass es angenommen wird.

Daniel Sulis, ein weiterer Autor des Science Advances-Artikels und Postdoktorand in Wangs Labor, sagte, dass Umweltkatastrophen, die durch den Klimawandel ausgelöst werden, die dringende Notwendigkeit unterstreichen, Forschung zu betreiben, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.

"Eine vielversprechende Lösung liegt in der Nutzung von Bäumen, um den Bedarf der Gesellschaft an Chemikalien, Kraftstoffen und anderen biobasierten Produkten zu decken und gleichzeitig den Planeten und das menschliche Wohlergehen zu schützen", so Sulis weiter.

"Diese Ergebnisse bringen nicht nur das Feld voran, sondern legen auch den Grundstein für weitere Innovationen bei der Nutzung von Bäumen für nachhaltige biobasierte Anwendungen.