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Mais grundiert für die Herstellung von Biokraftstoff
Um die Versorgung des Landes mit Biokraftstoffen zu steigern, haben Forscher drei genetisch veränderte Maissorten entwickelt, um Enzyme herzustellen, die die Zellulose der Pflanze in Zucker abbauen, der zu Ethanol fermentiert werden kann. Der direkte Einbau solcher Enzyme in die Pflanzen könnte die Kosten für die Umwandlung von Zellulose in Biokraftstoff senken.
Triebe und Blätter: Um den Abbau von Zellulose in fermentierbare Zucker zur Herstellung von Ethanol zu erleichtern, modifiziert Mariam Sticklen von der Michigan State University Mais genetisch mit Genen, die Zellulose abbauende Enzyme in den Stängeln und Blättern der Pflanze produzieren. Die Enzyme werden erst nach der Maisernte aktiviert, wenn die Pflanze zermahlen wird.
Letztes Jahr forderten neue Bundesvorschriften, dass die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe bis 2022 auf 36 Milliarden Gallonen jährlich – fast das Fünffache des heutigen Niveaus – gesteigert werden soll. Heute wird fast das gesamte Kraftstoffethanol in den Vereinigten Staaten aus Maiskörnern hergestellt. Um den erforderlichen Anstieg zu decken, greifen die Forscher auf andere Quellen zurück, beispielsweise auf Cellulose, ein komplexes Kohlenhydrat, das in allen Pflanzen vorkommt. Maisblätter und -stängel, Präriegräser und Holzspäne sind führende Kandidaten für die Versorgung mit Zellulose. Zellulose-Ethanol hat viele Vorteile gegenüber dem aus Maiskörnern hergestellten. Zellulose ist nicht nur extrem reichlich vorhanden und preiswert; Studien deuten auch darauf hin, dass die Herstellung und Verwendung von Ethanol aus Zellulose weniger Treibhausgase verursachen könnte.
Das größte Hindernis für die kommerzielle Durchführbarkeit von Zellulose-Ethanol ist jedoch der Abbau von Zellulose. Enzyme, die Cellulose abbauen, sogenannte Cellulasen, werden typischerweise von Mikroben produziert, die in großen Bioreaktoren gezüchtet werden, ein teurer und energieintensiver Prozess. Um Zellulose-Ethanol wirklich wettbewerbsfähig zu machen, müssen wir diese Kosten wirklich senken, sagt Michael J. Blaylock, Vizepräsident für Systementwicklung bei Edenspace, einem Unternehmen für Pflanzenbiotechnologie mit Sitz in Manhattan, KS.
Mariam Sticklen, Professorin für Pflanzenbau und Bodenkunde an der Michigan State University in East Lansing, dachte, dass sie die Kosten für die Herstellung von Enzymen reduzieren könnte, indem sie Maispflanzen so konstruierte, dass sie die Enzyme selbst produzieren. Anstatt sich auf die energieintensive Herstellung in Bioreaktoren zu verlassen, nutzen die Pflanzen die freie Energie der Sonne, um die Enzyme herzustellen, sagt sie.
Typischerweise erfordert der Abbau von Cellulose drei verschiedene Cellulasen. Letztes Jahr berichtete Sticklen, Mais mit einem Gen für eine Cellulase zu modifizieren, die die langen Zelluloseketten in kleinere Stücke schneidet. Das Gen stammt von einer Mikrobe, die in einer heißen Quelle lebt. Einen Monat später fügte Sticklen ein Gen aus einem Bodenpilz in das Maisgenom ein. Dieses Gen kodiert für ein Enzym, das die kleineren Zellulosestücke in Glukosemolekülpaare aufspaltet. In diesem neuesten Versuch hat Sticklen Mais modifiziert, um ein Enzym zu produzieren, das die Glukosepaare in einzelne Zuckermoleküle aufspaltet; Das Enzym wird auf natürliche Weise von einer Mikrobe produziert, die im Magen einer Kuh lebt. Das Endergebnis: drei Maisstämme, von denen jede ein Enzym produziert, das für den vollständigen Abbau von Zellulose unentbehrlich ist.
Um eine Übertragung der Gene auf andere Nutz- oder Wildpflanzen zu vermeiden, werden die Enzyme nur in den Blättern und Stängeln der Pflanze produziert, nicht in Samen, Wurzeln oder Pollen, sagt Sticklen. Um zu verhindern, dass sich der Mais selbst verdaut, hat sie die Pflanzen so konstruiert, dass sich die Enzyme nur in speziellen Speicherfächern innerhalb der Zellen, den sogenannten Vakuolen, ansammeln. Die Cellulasen werden erst nach der Ernte der Pflanze bei der Verarbeitung freigesetzt. Sticklen beschrieb ihre modifizierten Pflanzen letzte Woche auf dem nationalen Treffen der American Chemical Society in New Orleans.
Obwohl es möglich ist, alle drei Gene in eine einzige Pflanze zu integrieren, sagt Sticklen, kann sie mit drei verschiedenen Maissorten, von denen jede ein anderes Gen trägt, die Umwandlung von Zellulose in Zucker kontrollieren. Vorläufige Studien zeigen, dass die Enzyme im Verhältnis 1:4:1 genauso effizient sind wie handelsübliche Enzyme, sagt sie. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Mischen der drei verschiedenen Pflanzen mit den gleichen Verhältnissen das beste Ergebnis liefert.
Ich finde die Strategie der Unterteilung der Enzyme in den Vakuolen großartig, sagt Susan Leschine, Mikrobiologin an der University of Massachusetts Amherst. Die Frage, die ich habe, ist, arbeiten die Enzyme unter realistischen Bedingungen? Zum Beispiel sezernieren verschiedene Mikrobenarten ihre eigenen Cellulasen, die synergistisch arbeiten, um die Zellulosefasern abzuspalten. Es sei unklar, sagt Leschine, wie gut ein Enzym, das aus einer Mikrobe stammt, die in einer heißen Quelle lebt, mit einem Enzym aus einem Bodenpilz zusammenarbeitet. Diese verschiedenen Enzyme sind unter den gleichen Bedingungen möglicherweise nicht aktiv, sagt sie.
Edenspace, das derzeit die Technologie von Sticklen entwickelt, erwartet, innerhalb des Jahres mit Feldversuchen für ihren gentechnisch veränderten Mais zu beginnen, mit dem Ziel, die Technologie innerhalb der nächsten drei Jahre zu kommerzialisieren, sagt Blaylock. Mit dieser Strategie steht das Unternehmen nicht allein: Auch Agrivida, ein landwirtschaftliches Biotech-Unternehmen mit Sitz in Medford, MA, modifiziert Mais gentechnisch, um die Produktion von Zellulose-Ethanol zu vereinfachen.
Dies ist wirklich ein lohnender Weg, sagt Michael Ladisch, Professor für Agrar- und Bioingenieurwesen an der Purdue University in West Lafayette, IN. Am Ende des Tages ist es jedoch komplizierter, als es scheint. Das Haupthindernis besteht darin, sicherzustellen, dass die Enzyme die chemische und physikalische Vorbehandlung überleben, die erforderlich ist, um das Lignin – das zähe Polymer in Zellwänden, das Pflanzen Kraft verleiht – aus den Zellulosefasern zu entfernen, sagt Ladisch, der derzeit beurlaubt ist Purdue wird Chief Technical Officer bei Mascoma, einem Biokraftstoffunternehmen mit Sitz in Brighton, MA.
Eine Lösung besteht darin, die Anlagen so zu konstruieren, dass sie nur eine milde Vorbehandlung benötigen. Sticklen arbeitet beispielsweise daran, den Ligningehalt von Mais zu reduzieren und die molekulare Konfiguration von Lignin zu verändern, um es leichter abzubauen. Obwohl sich ihre Arbeit derzeit auf die Modifizierung von Mais konzentriert, sagt Sticklen, dass die Technologie irgendwann auch auf andere Nutzpflanzen wie z. B. Rutenhirse übertragen werden könnte.