Energienews – Übersicht

Aenert. Research Laboratory news
Pflanzliche Biomasse ist eine erneuerbare, reichlich vorhandene und umweltfreundliche Energiequelle. Durch die Nutzung pflanzlicher Biomasse kann die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und das Problem der Umweltverschmutzung verbessert werden. Eine Vielzahl von Biokraftstoffen wie Biodiesel, Biowasserstoff, Bioethanol und Biogas stehen heute neben ihren fossilen Pendants und werden durch unterschiedliche Produktionsprozesse hergestellt. Ihre Produktion hängt von Enzymen ab, entweder zur Vorbehandlung des Ausgangsmaterials oder Enzyme, die eine wichtige Rolle im Syntheseprozess selbst spielen. Wie gut diese Enzyme mit dem Ausgangsmaterial interagieren, hat großen Einfluss auf die Effizienz und Durchführbarkeit des Prozesses. Daher unterliegt die Kommerzialisierung von Biokraftstoffen aus variabler Biomasse bestimmten Einschränkungen im Zusammenhang mit den an der Produktion beteiligten Enzymen.
Pflanzenbiomasse enthält energiereiche komplexe Zuckermoleküle, die durch Photosynthese erzeugt werden. Eine starre Zellwand aus Zucker umgibt die Pflanzenzellen und ein Material namens Lignin sorgt für strukturelle Unterstützung. So sehr Lignin für die Gesundheit einer Pflanze erforderlich ist, muss es auch reduziert werden, wenn der Zucker genutzt und in Kraftstoffe umgewandelt werden soll. Dies war der Schwerpunkt der Forschung, die darauf abzielte, Pflanzen zur Erzeugung von Kraftstoffen und anderen Produkten zu nutzen, die üblicherweise aus Erdöl hergestellt werden.

Jetzt ( 2023 ) haben Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory Enzyme entwickelt, um Graspflanzen so zu modifizieren, dass ihr Biomassegehalt effizient in Biokraftstoffe und andere Bioprodukte umgewandelt werden kann. Diese Enzyme können in pflanzlichen Zellwänden enthaltene Moleküle modifizieren, um Zugang zu brennstofferzeugenden Zuckern zu ermöglichen, die normalerweise in komplexen Strukturen eingeschlossen sind.

Seit fast 15 Jahren arbeitet das Wissenschaftlerteam an diesem Problem, indem es gentechnisch veränderte Enzyme namens Monolignol-4-O-Methyltransferasen (MOMTs) verwendet. Diese synthetischen Enzyme können die chemische Struktur der Hauptbausteine ​​von Lignin, den Monolignolen, verändern. Dadurch wird verhindert, dass sie sich miteinander verbinden, was den Ligningehalt der Pflanzen verringert und die Zucker besser zugänglich macht.

In früheren Arbeiten konnten die Wissenschaftler erfolgreich MOMTs in Pappeln exprimieren. Diese Enzyme zeigten eine große Fähigkeit, den Ligningehalt der Bäume zu reduzieren und eine erhöhte Zuckerfreisetzung aus den Pflanzen zu ermöglichen. In der aktuellen Studie wurden die möglichen Anwendungen der MOMT-Enzyme in Graspflanzen untersucht. Andere Gräser als Bäume können in schwierigen Umgebungen wachsen, beispielsweise auf Böden, denen es an Wasser oder Nährstoffen mangelt. Wenn in solchen Umgebungen gentechnisch veränderte Pflanzen angebaut würden, könnte dadurch möglicherweise Biomasse entstehen, die für die Umwandlung in Kraftstoffe und Bioprodukte optimiert ist und nicht auf Flächen angebaut werden muss, die für die Produktion von Nahrungspflanzen benötigt werden.

In dieser Studie konzentrierte sich das Wissenschaftlerteam auf zwei Versionen des Enzyms, MOMT4 und MOMT9, die jeweils darauf ausgelegt sind, eine andere Lignin-Untereinheit zu modifizieren. In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Kyoto in Japan führten sie chemische Analysen an Reispflanzen durch, die entweder MOMT4 oder MOMT9 exprimieren. Die Forschung zeigte, dass die veränderten Graspflanzen im Vergleich zu unveränderten Pflanzen weniger Lignin enthielten.

Obwohl MOMT4 und MOMT9 speziell dafür entwickelt wurden, auf Monolignole einzuwirken, zeigten die Testergebnisse, dass diese manipulierten Enzyme auch auf andere Komponenten einwirkten. Beide MOMTs beeinflussten die vernetzenden Phenole und auch ein Phenol namens Tricin, eine Ligninvorstufe, die nur in Graspflanzen vorkommt. Da sich die Strukturen der vernetzenden Phenole und des Tricins veränderten, reduzierten die MOMTs auch den Einbau dieser Verbindungen in die Zellwände, was sie weiter schwächte. Es wurde auch festgestellt, dass sich modifizierte Phenole im übrigen Pflanzengewebe angereichert haben. Darüber hinaus wuchsen Pflanzen mit MOMT9 nicht so groß wie die unveränderten Pflanzen, was die Menge an Biomasse verringerte, aus der Zucker gewonnen werden konnte. Die Pflanzen konnten auch keine Samen produzieren, was bedeutet, dass veränderte Pflanzen sich nicht vermehren können. Um diese Probleme anzugehen, wird sich die zukünftige Forschung auf Methoden zur Steuerung der Modifizierung von Lignin in verschiedenen Teilen der Pflanze konzentrieren.

Image: Phenotypic analysis of MOMT4 and MOMT9 transgenic plants. (a) Expression cassette of MOMT4/9 under OsC4H promoter with OsC4H 5′ untranslated region, a kozak sequence and a sorghum heat shock protein gene terminator (SbHSP). (b) The RT-PCR analysis of MOMT4/9 transgene expression in the WT, empty VC, MOMT4, or MOMT9 overexpression lines. Rice ubiquitin 5 gene (UBQ5) was used as the control. (c) Morphology of the regenerated 1.5-month-old MOMT4 and MOMT9 overexpression plants in T0 generation after first time cutting. Scale bar = 10 cm. (d and e) The measurements of plant height (d) and aerial biomass yield (e). Data are presented as mean ± s.e. (n = 20). Each data point represents individual MOMT4 or MOMT9 transgenic line. *** Indicates statistically significant difference with P <0.001, compared to the WT (one-way ANOVA test; Tukey's multiple-comparison test). (f–n) Floret and anther morphology, and Iodine-potassium iodide staining of mature pollen grains of the WT (f–h), MOMT4 (i–k), and MOMT9 (l–n) overexpression plants. Scale bar = 500 μm in (f–n). Note that MOMT9 anthers did not release any viable pollen grains (n). (o–t) Scanning electron micrographs of transverse sections of the fourth stem internodes of T0 generation plants after the fourth successive asexual propagation–regeneration, and the enlarged vision of their collenchyma cells of theWT (o, p), MOMT4 (q, r), and MOMT9 (s, t). E, epidermis; CC, collenchyma cells; VB, vascular bundle. Scale bar = 50 μm in (o, q, s) and 5 um in (p, r, t)



Source: Nidhi Dwivedi, Senri Yamamoto, Yunjun Zhao, Guichuan Hou, Forrest Bowling, Yuki Tobimatsu, Chang-Jun Liu/ Simultaneous suppression of lignin, tricin and wall-bound phenolic biosynthesis via the expression of monolignol 4-O-methyltransferases in rice/ Plant Biotechnology Journal, 05 October 2023/ doi.org/10.1111/pbi.14186/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International

Die Suche nach wirksamen Mitteln zur Biokraftstoffproduktion ist eine wichtige Aufgabe wenn wir die schädlichen Auswirkungen des Klimawandels abmildern wollen. Im Jahr 2015 testeten Wissenschaftler, ob eine spezifische Umgestaltung des aktiven Zentrums einer Monolignol-4-O-Methyltransferase ein Enzym ergeben würde, das den kondensierten Guajacyl-Lignin-Vorläufer Coniferylalkohol spezifisch methyliert. Durch die Kombination von Kristallstrukturinformationen mit kombinatorischer Sättigungsmutagenese des aktiven Zentrums und unter Verwendung des manipulierten promiskuitiven Enzyms MOMT5 (T133L/E165I/F175I/F166W/H169F) modellierten sie die Substratbindungstasche durch die Hinzufügung von vier Substitutionen, nämlich M26H, S30R, V33S und T319M, das ein mutiertes Enzym schuf, das in der Lage ist, die para-Hydroxylgruppe von Coniferylalkohol selektiv zu verethern. Die manipulierte Enzymvariante reduzierte die Substratbindungstasche erheblich und führte zu einer sterischen Behinderung. Die resultierende Enzymvariante erwies sich als hervorragend zur Modulation der Ligninzusammensetzung und/oder -struktur in Pflanzen.

Image: The scheme of lignin polymerization process and MOMT-catalyzed reaction. A, lignin monomeric precursors. B, MOMT-catalyzed methylation reaction. C, the dehydrogenation of monolignols. D, the subsequent polymerization process



Source: Yuanheng Cai, Mohammad-Wadud Bhuiya, John Shanklin, Chang-Jun Liu/ Engineering a Monolignol 4-O-Methyltransferase with High Selectivity for the Condensed Lignin Precursor Coniferyl Alcohol*/ Plant Biology| Volume 290, ISSUE 44, October 2015/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Im Jahr 2016 stellten Wissenschaftler eine manipulierte 4-O-Methyltransferase vor, die chemisch modifizieren kann die phenolische Einheit der Lignin-Monomervorläufer und verhindert so deren Einbau in das Lignin-Polymer. Dadurch veränderten sich der Ligningehalt und die Struktur der Hybridespen erheblich. Holzbiomasse aus transgenen Espen zeigte eine um 62 % höhere Freisetzung einfacher Zucker und eine bis zu 49 % höhere Ethanolausbeute, wenn sie einer enzymatischen Verdauung und einer hefevermittelten Fermentation unterzogen wurde. Außerdem wurde festgestellt, dass die strukturellen Veränderungen der Zellwände das Wachstum und die Biomasseproduktion der Bäume nicht hemmen.

Image: (a) Three-month-old hybrid aspens of control (left) and three MOMT4 independent transgenic lines (right). (b,c) Phloroglucinol-HCl staining of the stem cross-sections of control (b) and MOMT4-0 transgenic line (c). (d,e) Mäule staining of the stem cross-sections of control (d) and MOMT4-0 transgenics (e). Scale bars, 1 mm. (f) Acetyl bromide total lignin content in the cell walls of control and MOMT4 transgenic aspen stems. (g) The monomers released by thioacidolysis from the stem cell walls of MOMT4 transgenic aspens; S, syringyl; G, guaiacyl; H, p-hydroxyphenyl; CWR, cell wall residues; Ctrl., control. Data in f,g represent mean±s.e. with three biological replicates (each with three technical repeats) for the control and three technical repeats for the individual transgenic lines. ** Indicates significant difference of lignin content (f) or S-monomer (g) compared to the control with P<0.01 (Student’s t-test)



Source: Yuanheng Cai, Kewei Zhang, Hoon Kim, Guichuan Hou, Xuebin Zhang, Huijun Yang, Huan Feng, Lisa Miller,  John Ralph & Chang-Jun Liu/ Enhancing digestibility and ethanol yield of Populus wood via expression of an engineered monolignol 4-O-methyltransferase/ Nature Communications volume 7, Article number: 11989 (2016), 28 June 2016/ doi.org/10.1038/ncomms11989/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Die Reduzierung des Ligningehalts hat mehrere Vorteile: Weniger Lignin in der Zelle Im Vergleich zu unveränderten Pflanzen konnten bei Pflanzen, die MOMT4 exprimierten, bis zu 30 % mehr Zucker und bei Pflanzen, die MOMT9 exprimierten, bis zu 15 % mehr Zucker gesammelt werden. Durch Fermentation können durch Umwandlung Zucker-Biokraftstoffe wie Ethanol hergestellt werden. Ethanol ist ein üblicher Zusatzstoff, der verwendet wird, um den Anteil fossiler Brennstoffe in Benzin zu senken.

Zu den nächsten Schritten gehört die Analyse, ob ihre MOMT-Enzyme den Zuckerertrag anderer Graspflanzenarten optimieren können. Die Wissenschaftler hoffen, dass das Enzym zur Modifizierung von Gras-Energiepflanzen wie Sorghum und Bambus eingesetzt werden kann. Sie sind außerdem davon überzeugt, dass dadurch ein Teil der Abfälle vermieden werden kann, die bei unveränderten Biomassepflanzen anfallen.

Von der Redaktion