Mutanten für mehr Zucker

Forscher wählten einen neuen, genetischen Ansatz, um Pflanzen zu identifizieren, deren Zellwände man effizienter in ihre Einzelteile aufspalten kann. Gelingt dies, lässt sich aus diesen Zucker gewinnen, der als Grundstoff weiterverarbeitet werden kann. Die Zucker können zu Bio-Ethanol vergoren oder in der chemischen Industrie genutzt werden.

Pflanzliche Biomasse dient uns u.a. als nachwachsender Rohstoff für eine Vielzahl industrieller Zwecke, beispielsweise zur Nutzung in der chemischen Industrie oder als Energiequelle.

Ein Großteil der pflanzlichen Biomasse wird jedoch in den Zellwänden in Form von Cellulose, Hemicellulose  - sowie dem Biopolymer Lignin - gespeichert. Die Mehrfachzucker (auch Polysaccharide genannt) Cellulose und Hemicellulose müssen erst in ihre Einzelteile zerlegt werden, bevor die Abbauprodukte für diese Zwecke nutzbar sind.

Effiziente Nutzbarmachung des Zuckers angestrebt

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Die biochemische Aufspaltung von Mehrfachzuckern in ihre Einzelteile (z.B. zu dem Einfachzucker Glucose) nennt man auch Verzuckerung. Dies gelingt mit Hilfe von Säuren, Wärme und Enzymen. So entstehen vergärbare Zucker.

Allerdings ist diese Aufspaltung kostspielig und energieintensiv. Zudem sind die enzymatischen Ansätze zur Zerlegung der Zellwände noch nicht ausgereift. Eine kürzlich erschienene Studie setzt hier an und stellt eine neue Methode vor, Pflanzen ausfindig zu machen, bei denen die Zuckerausbeute besonders hoch ist. Damit wird ein neuer Fokus gesetzt, man betrachtet nämlich hierbei die Gene des Rohstoffs „Pflanze“.

Ein zukunftsweisender genetischer Ansatz

Ziel der Studie war es, ein systematisches Hochdurchsatz-Testverfahren (Screening) zu entwickeln, welches die genetische Ausstattung (Genotyp) von einer sehr großen Anzahl von Pflanzen erfassen kann. Dabei sollen Mutanten identifiziert werden, bei denen Mehrfachzucker - bei Zugabe von Säure – besser als in der Wildform der Pflanze aufgespalten werden. Man identifiziert also den Genotyp, um den gewünschten Phänotyp zu untersuchen. Konkret wird analysiert, welche Gene für eine bessere Verzuckerung „zuständig“ sind.

Den Wissenschaftlern diente dabei die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Versuchspflanze für die genetische Durchmusterung. Zwar ist die Ackerschmalwand als potenzieller Energie- und Rohstofflieferant auf Grund der Biomassemassepotenziale uninteressant. Jedoch auf Grund ihres Modelcharakters ideal für die Methodenetablierung geeignet.

Zeig mir deine Gene!

Tatsächlich wurden die Wissenschaftler fündig. Sie identifizierten eine Reihe von Mutanten unter den Versuchspflanzen, bei denen der in den Pflanzenstrukturen gebundene Zucker besser aufgespalten werden konnte.

Zuerst wurden Arabidopsis-Pflanzen aufgezogen und die Wissenschaftler entnahmen von diesen Blatt-Proben. Die Proben wurden daraufhin mit Säure behandelt. Dabei fanden die Forscher rund 60 Mutanten mit einer besseren Verzuckerung, als bei den restlichen Pflanzen. Damit waren die Pflanzen mit dem gewünschten Phänotyp ausfindig gemacht. Diese Mutanten wurden mit anderen Arabidopsis-Pflanzen gekreuzt und die Gene dieser Tochtergeneration wurden genauer analysiert.

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Interessanterweise waren die Gene, die bei den Mutanten zu einer besseren Verzuckerung führten, nicht offensichtlich mit den Zellwänden assoziiert. Sie entdeckten, dass eine Störung bei spezifischen Schritten des Stärkestoffwechsels und beim zielgerichteten Transport des Pflanzenhormons Auxin zu einer erhöhten Zuckerausbeute führte. Stärke ist einer der wichtigsten Speicher- und Reservestoffe der Pflanze; Auxin übernimmt wichtige Funktionen als Wachstumshormon und wird von Zelle zu Zelle aktiv von der Pflanze transportiert. Dieser zielgerichtete Transport wird auch als polarer Transport bezeichnet.

Lässt sich das auch auf andere Pflanzen übertragen?

Um dies zu testen, wählten die Forscher eine der weltweit wichtigsten Kulturpflanzen, den Mais (Zea mays) aus. Im Gegensatz zur Ackerschmalwand zählt Mais zu den Gräsern und ist einkeimblättrig. Somit konnte auch die Universalität des Ansatzes getestet werden.

Am Beispiel dieser wirtschaftlich wichtigen Pflanze hemmten die Forscher den polaren Auxin-Transport genetisch bzw. chemisch. Dies führte auch bei dem Mais zu einer erhöhten Zucker-Freisetzung aus dem pflanzlichen Gewebe. Die Ergebnisse weisen daher darauf hin, dass eine genetische oder chemische Manipulation des polaren Auxin-Transports die Zuckerausbeute aus pflanzlicher Biomasse erhöhen kann. 

Mehrere Anwendungsbereiche

Chemisch, stofflich, energetisch, die bei der Verzuckerung entstandenen Einfachzucker können vielfältig industriell genutzt werden. Die heute gebräuchlichste technische Nutzung ist die Fermentation der gewonnen Zucker, um daraus Bio-Ethanol als Kraftstoff für Autos herzustellen. Neben der Nutzung als Energiequelle, sind die Zucker auch als Grundstoff für Biopolymere oder für die chemische Industrie interessant.

Könnte man also mehr Zucker aus pflanzlicher Biomasse extrahieren, könnten die natürlichen Rohstoffe effizienter genutzt werden. Da bereits das erste Screening erfolgreich war, sind die Forscher optimistisch, was deren Anwendung zur Optimierung anderer nachwachsender Roh- und Reststoffe angeht. Allerdings kennt man noch nicht alle Gene, die an der Verzuckerung funktional beteiligt sind. Weitere Screenings können hier Licht ins Dunkel bringen und weitere Genotypen identifizieren, die durch Mutationen effizienter fermentierbaren Zucker freigeben, als ihre wilden Verwandten. Dadurch könnte man zukünftig industrielle Prozesse optimieren und unabhängiger von fossilen Rohstoffen werden.