Ein Netzwerk für Holz

Biokraftstoff der zweiten Generation soll aus Zellulose hergestellt werden. Doch für eine effiziente Verarbeitung müssen Forscher erst Pflanzen mit modifizierten Zellwänden züchten. Den Bauplan kennen sie jetzt.

Auf einer Baustelle herrscht reges Gewusel. Einige Bauarbeiter schleppen Steine, andere rühren Mörtel an oder bauen Gerüste auf. Jeder hat seine Aufgabe und nur wenn alle zusammenarbeiten, ziehen sich nach und nach die ersten Wände eines neuen Hauses nach oben. Ganz ähnlich läuft es auch in den Zellen beim Aufbau der Zellwände ab. Zahlreiche unterschiedliche Enzyme produzieren und verknüpfen die wichtigsten Makromoleküle Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Aber wie genau die Zellbaustelle kontrolliert und reguliert wird, war bisher unklar.

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Wissenschaftler haben jetzt in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana das genregulatorische Netzwerk identifiziert, dass die Synthese der sekundären Zellwand kontrolliert. Und das ist wahrlich komplex. 242 Gene und 617 Protein-DNA-Interaktionen sind daran beteiligt. „Ich glaube, dass dieses Netzwerk uns jetzt die Fähigkeit gibt, intelligentere Züchtungsprogramme zu entwickeln, damit Pflanzen effizienter bessere Biokraftstoffe produzieren“, erklärt Siobhan Brady von der University of California ihre Studie.

Ein komplexes Netzwerk kann gut auf Umweltsignale reagieren

Die Forscher analysierten Xylemzellen, also die verholzten Leitungsbahnen für den Transport von Wasser und Nährstoffen, aus dem Wurzelgewebe von Arabidopsis. Sie fanden heraus, dass jedes Zellwand-Gen durchschnittlich von fünf Transkriptionsfaktoren (TF) gebunden wird. Diese Proteinen können Gene an- oder abschalten können und legen dadurch fest, wann wie viel mRNA gebildet wird (die wiederum als Vorlage für Proteine dient). Durch die große Anzahl möglicher Kombinationen aus DNA und Transkriptionsfaktoren können die Zellen auch schnell auf Signale aus der Umwelt reagieren und bei einem Angriff beispielsweise Abwehrmoleküle herstellen.

Viele dieser Transkriptionsfaktoren sind außerdem nicht einfach nur in lineare Signalwege eingebunden, knapp 100 bilden sogenannte Fast-Forward-Loops (FFLs): ein Faktor kontrolliert die Produktion anderer Faktoren und gemeinsam wird die Expression des Zielgens gesteuert. Dieses verflochtene Netzwerk ist ein Grund dafür, warum so viele Transkriptionsfaktoren bisher in Experimenten nicht identifiziert werden konnten. Wenn Forscher einen TF ausschalteten, übernahm einfach ein anderer dessen Funktion. „Obwohl Fast-Forward-Loops in biologischen Systemen weit verbreitet sind, ist doch erstaunlich wie viele es davon im Xylem-Netzwerk gibt“, schreiben Anthony Bishopp und Malcolm J. Bennet vom Zentrum für Integrative Pflanzenbiologie aus Nottingham in einem begleitenden Artikel im Wissenschaftsmagazin Nature.

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Warum es so viele FFLs gibt und wie sie alle zusammenarbeiten will Brady jetzt mit Hilfe von genomischen Experimenten, Computersimulationen und Modellierungen ergründen. Sie glaubt, dass sich ihre Ergebnisse gut von Arabidopsis auf andere Zweikeimblättrige übertragen lassen. Bei Einkeimblättrigen wie Mais (Zea mays) und Sorghum (Sorghum), die bereits jetzt für die Produktion von Biokraftstoffen genutzt werden „ist die Regulierung vermutlich noch viel komplexer“.

Für Biotreibstoff der zweiten Generation müssen neue Pflanzen gezüchtet werden

Biokraftstoffe aus Pflanzen sind ein kontroverses Thema, da bisher fast ausschließlich die essbaren, stärkehaltigen Pflanzenteile zu Treibstoff verarbeitet werden. Die Flächennutzungskonkurrenz zwischen dem Anbau von Nahrungs- und Treibstoffpflanzen, besser bekannt als „Teller-oder-Tank-Konflikt“, ist der Grund dafür, dass weite Teile der Bevölkerung den Biotreibstoffen kritisch gegenüberstehen.

Doch in Zukunft sollen Biokraftstoffe der zweiten Generation auf den Markt kommen, die aus nicht-essbaren Pflanzenteilen erzeugt werden: aus Pappeln, schnellwachsenden Gräsern oder Abfallprodukten der Lebensmittelindustrie zum Beispiel. Besonders die energiereiche Zellulose aus den Zellwänden ist ein hoffnungsvoller Kandidat für die Treibstoffproduktion. Doch wie Stahlträger in Beton sind Zellulosefasern eingebettet in Lignin, ein extrem stabiles Makromolekül, das biologisch und chemisch nur schwer abbaubar ist. Es muss unter großem Aufwand mit Hitze- und Säureeinwirkung entfernt werden. Pflanzen mit anderer Zellwandzusammensetzung, zum Beispiel weniger Lignin, wären für die Biokraftstoffproduktion besser geeignet. Brady ist zuversichtlich, dass ihre Forschungsergebnisse dafür die Grundlage legen. „Bisher kannten wir nur einen Bruchteil der beteiligten Akteure. Jetzt haben wir eine Karte, die uns den Weg zeigt.“