Wie Bäume zu umweltfreundlichen Kraftstoff-Lieferanten werden sollen
Bäume könnten in Zukunft nachhaltige Kraftstoffe und Chemikalien liefern. Forschende nutzen Mikroben und Genetik, um Bäume in umweltfreundliche Rohstoffe umzuwandeln.
Liefern künftig Bäume statt Erdöl unsere Kraftstoffe? Gentechnik und spezielle Mikroben sollen dabei helfen.
Foto: PantherMedia / Wolfgang Dufner
Holz und das darin enthaltene Lignin lassen sich zur Herstellung von umweltfreundlichen Chemikalien und Kraftstoffen verwenden. Das ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden. Daran arbeiten Forschende an der North Carolina State University. Sie wollen die Bäume genetisch modifizieren und mit Hilfe von mikrobiellen Prozessen zu chemischen Lieferanten machen.
Inhaltsverzeichnis
Die Herausforderungen bei Lignin
Lignin ist laut Forschungsteam eines der Hauptprobleme bei der Nutzung von Bäumen zur Herstellung von Industriechemikalien. Es ist das Polymer, das Holz steif und widerstandsfähig macht, gleichzeitig aber den Abbau durch Mikroorganismen erschwert. Die Forschenden der NC State haben nun entdeckt, dass der Methoxidgehalt von Lignin eine entscheidende Rolle spielt. „Der Methoxidgehalt bestimmt, wie gut Mikroben in der Lage sind, das Lignin zu verdauen“, sagt Robert Kelly, einer der führenden Wissenschaftler des Projekts.
Durch diese Erkenntnis konnte das Team gezielt Bäume genetisch verändern, um den Ligningehalt und insbesondere den Methoxidgehalt zu reduzieren. Das Ziel: Bäume zu schaffen, die einfacher in Industriechemikalien umgewandelt werden können.
| Grundsätzliches zu Lignin |
| Lignin ist ein kohlenstoffreicher, weit verbreiteter Rohstoff, der hauptsächlich als Nebenprodukt in der Papierindustrie anfällt. Es ist das zweithäufigste Biopolymer der Erde und spielt eine wichtige Rolle in der Zellwand von Pflanzen. Trotz seiner Fülle wird Lignin größtenteils als Brennstoff für die Stromerzeugung verwendet, während sein Potenzial für die Herstellung von hochwertigen Industrieprodukten noch unzureichend genutzt wird. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen seit Jahren die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, darunter Klebstoffe, Harze, Biokraftstoffe und biobasierte Polymere. |
Genetische Veränderung von Pappeln
Jack Wang, ein weiterer Wissenschaftler der NC State, hat gemeinsam mit seinem Team die CRISPR-Technologie genutzt, um Pappeln mit verändertem Lignin herzustellen. Dabei handelt es sich um eine molekularbiologische Methode, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern. Gene können mit dem CRISPR-System eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden.
Pappeln eignen sich besonders gut für diese Art der Forschung, da sie schnell wachsen und wenig Pflege benötigen. Außerdem können sie auf Böden gedeihen, die für den Nahrungsmittelanbau nicht geeignet sind. Wang konzentriert sich dabei nicht nur auf einen niedrigen Ligningehalt, sondern auch auf eine Reduzierung des Methoxidgehalts. Das Ziel ist, Bäume zu schaffen, die sich optimal für die Umwandlung in Chemikalien durch Mikroben eignen.
Ein erster Durchbruch wurde bereits erzielt. „Ein niedriger Methoxidgehalt macht die Zellulose wahrscheinlich für die Bakterien besser verfügbar“, erklärt Kelly. Dies bedeutet, dass die Bäume mit reduziertem Methoxidgehalt leichter abgebaut werden können.
Mikroben als Verwerter von Pflanzenmaterial
Thermophile Bakterien, die in heißen Quellen wie im Yellowstone-Nationalpark vorkommen, haben die Fähigkeit, Zellulose aus Pflanzenmaterial zu zersetzen. Diese Mikroben könnten eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Bäumen in Chemikalien spielen. In Experimenten zeigten die Forschenden, dass einige dieser Mikroben besser mit den genetisch veränderten Pappeln zurechtkamen als andere.
Der ehemalige Doktorand Ryan Bing erklärte: „Diese Bakterien haben unterschiedliche Vorlieben für verschiedene Pflanzenarten. Die Frage war, warum? Was macht eine Pflanze besser als die andere?“ Die Antwort liegt im Methoxidgehalt, der darüber entscheidet, wie leicht die Mikroben das Pflanzenmaterial abbauen können.
Nachhaltige Zukunft dank Bäume?
Das Ziel der Forschung ist es, Bäume zu einem nachhaltigen Lieferanten für Chemikalien zu machen, die derzeit aus Erdöl gewonnen werden. Die Pappeln mit niedrigem Methoxidgehalt könnten in Zukunft Industriechemikalien wie Aceton und Wasserstoffgas liefern – und das bei deutlich geringerer Umweltbelastung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Abbauprozess mit den thermophilen Bakterien bei hohen Temperaturen stattfindet. Dies bedeutet, dass der Prozess ohne sterile Bedingungen auskommt, was die industrielle Anwendung erleichtert.
Langfristig könnte diese Technologie helfen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren. „Bäume bieten eine vielversprechende Möglichkeit, Chemikalien und Kraftstoffe auf nachhaltige Weise herzustellen“, sagt Daniel Sulis, ein Postdoktorand in Wangs Labor. Die Forschung schreitet voran, aber die Feldversuche mit den genetisch veränderten Pappeln laufen noch. Wenn sie erfolgreich sind, könnte dies ein wichtiger Schritt in Richtung einer biobasierten Industrie sein.
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