Warum verläuft der Abbau von Pflanzenmaterial für Biokraftstoffe so langsam?

Zellulose, die dazu beiträgt, pflanzlichen Zellwänden ihre feste Struktur zu verleihen, ist ein vielversprechender nachwachsender Rohstoff für Biokraftstoffe – wenn Forscher den Produktionsprozess beschleunigen können. Im Vergleich zum Abbau anderer Biokraftstoffmaterialien wie Mais ist der Abbau von Zellulose langsam und ineffizient, könnte aber Bedenken hinsichtlich der Verwendung einer Nahrungsquelle vermeiden und gleichzeitig reichlich vorhandenes Pflanzenmaterial nutzen, das andernfalls verschwendet werden könnte. Neue Forschungen unter der Leitung von Forschern der Penn State University haben gezeigt, wie mehrere molekulare Hindernisse diesen Prozess verlangsamen.

Die neueste Studie des Teams, veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbeschreibt den molekularen Prozess, durch den Cellobiose – ein aus zwei Zuckern bestehendes Fragment der Cellulose, das beim Zelluloseabbau entsteht – die Rohrleitung verstopfen und den anschließenden Zelluloseabbau beeinträchtigen kann.

Die Herstellung von Biokraftstoffen beruht auf der Aufspaltung von Verbindungen wie Stärke oder Zellulose in Glukose, die dann effizient zu Ethanol zur Verwendung als Kraftstoff fermentiert oder in andere nützliche Materialien umgewandelt werden kann. Die vorherrschende Biokraftstoffoption auf dem heutigen Markt wird aus Mais hergestellt, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass die Stärke, so die Forscher, leicht zerfällt.

„Es gibt mehrere Bedenken hinsichtlich der Verwendung von Mais als Biokraftstoffquelle, einschließlich der Konkurrenz zur globalen Nahrungsmittelversorgung und der großen Menge an Treibhausgasen, die bei der Herstellung von Ethanol auf Maisbasis entstehen“, sagte Charles Anderson, Professor für Biologie am Penn State Eberly College of Wissenschaft und Autor des Artikels. „Eine vielversprechende Alternative besteht darin, Zellulose aus nicht essbaren Pflanzenteilen wie Maisstängeln, anderen Pflanzenabfällen wie forstwirtschaftlichen Rückständen und potenziell speziellen Nutzpflanzen, die auf marginalem Land angebaut werden könnten, abzubauen. Aber einer der Hauptgründe, warum sogenannte Biokraftstoffe der zweiten Generation wirtschaftlich nicht wettbewerbsfähig sind, ist, dass der derzeitige Prozess zum Abbau von Zellulose langsam und ineffizient ist.“

Wir haben eine relativ neue bildgebende Technik verwendet, um die molekularen Mechanismen zu erforschen, die diesen Prozess verlangsamen.“

Cellulose besteht aus Glukoseketten, die durch Wasserstoffbrücken zu kristallinen Strukturen zusammengehalten werden. Wissenschaftler verwenden Enzyme namens Cellulasen, die aus Pilzen oder Bakterien stammen, um Pflanzenmaterial abzubauen und die Glukose aus der Cellulose zu extrahieren. Die Forscher sagten jedoch, dass die kristalline Struktur der Cellulose in Kombination mit anderen Verbindungen namens Xylan und Lignin – die ebenfalls in Zellwänden vorkommen – zusätzliche Herausforderungen für den Celluloseabbau darstellt. Herkömmliche Techniken waren jedoch nicht in der Lage, die spezifischen molekularen Mechanismen dieser Verlangsamungen aufzudecken.

Um diese unklaren Mechanismen zu erforschen, markierten die Forscher einzelne Cellulasen chemisch mit Fluoreszenzmarkern. Anschließend verwendeten sie das SCATTIRSTORM-Mikroskop der Penn State University, das das Team genau zu diesem Zweck entworfen und gebaut hatte, um die Moleküle durch jeden Schritt des Abbauprozesses zu verfolgen und die resultierenden Videos mithilfe von Computerverarbeitung und biochemischer Modellierung zu interpretieren.

„Herkömmliche Methoden beobachten den Abbauprozess in größerem Maßstab, manipulieren künstlich die Position des Enzyms oder fangen nur bewegte Moleküle ein, was bedeutet, dass Ihnen möglicherweise einige der natürlich ablaufenden Prozesse entgehen“, sagte Will Hancock, Professor für biomedizinische Technik an der Penn State College of Engineering und Autor des Artikels. „Mit dem SCATTIRSTORM-Mikroskop konnten wir einzelne Cellulase-Enzyme in Aktion beobachten, um herauszufinden, was diesen Prozess verlangsamt, und neue Ideen entwickeln, wie wir ihn effizienter gestalten können.“

Die Forscher untersuchten speziell die Wirkung eines Pilz-Cellulase-Enzyms namens Cel7A. Im Rahmen des Abbauprozesses führt Cel7A Zellulose in eine Art molekularen Tunnel ein, wo sie zerkleinert wird.

„Cel7A bewegt die Glukosekette zur ‚Vordertür‘ des Tunnels, die Kette wird gespalten und die Produkte kommen in einer Art Pipeline durch die ‚Hintertür‘ heraus“, sagte Daguan Nong, Assistenzprofessor für biomedizinische Technik an der Universität Penn State College of Engineering und Erstautor der Arbeit. „Wir sind uns nicht ganz sicher, wie das Enzym die Glukosekette in den Tunnel einfädelt oder was genau im Inneren vor sich geht, aber wir wussten aus früheren Studien, dass das Produkt, das durch die Hintertür austritt, Cellobiose, die Verarbeitung der nachfolgenden Cellulose beeinträchtigen kann.“ Moleküle. Jetzt wissen wir mehr darüber, wie es stört.“

Innerhalb des Tunnels zerkleinert Cel7A Cellulose – die sich wiederholende Glucoseeinheiten enthält – in Cellobiosefragmente aus zwei Zuckern. Die Forscher fanden heraus, dass Cellobiose in Lösung an die „Hintertür“ des Tunnels binden kann, was den Austritt nachfolgender Cellobiose-Moleküle verlangsamen kann, da es im Wesentlichen den Weg blockiert. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass es sich an Cel7A in der Nähe der Vordertür binden kann und so verhindert, dass sich das Enzym an zusätzliche Zellulose bindet.

„Da Cellobiose Cellulose so ähnlich ist, ist es vielleicht nicht verwunderlich, dass die kleinen Stücke in den Tunnel gelangen können“, sagte Hancock. „Da wir jetzt besser verstehen, wie genau Cellobiose alles durcheinander bringt, können wir neue Wege erkunden, um diesen Prozess zu optimieren. Wir könnten beispielsweise die Vorder- oder Hintertür des Tunnels oder Aspekte des Cel7A-Enzyms verändern, um diese Hemmung effizienter zu verhindern. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde viel daran gearbeitet, effizientere Cellulase-Enzyme zu entwickeln, und es ist ein unglaublich wirkungsvoller Ansatz. Ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Zelluloseabbau begrenzen, wird uns bei dieser Anstrengung helfen.“

Diese Forschung baut auf den jüngsten Arbeiten des Forschungsteams auf, die kürzlich in RSC Sustainability and Biotechnology for Biofuels and Bioproducts veröffentlicht wurden, um andere Hindernisse für den Abbauprozess – Xylan und Lignin – zu verstehen.

„Wir haben herausgefunden, dass Xylan und Lignin auf unterschiedliche Weise den Zelluloseabbau beeinträchtigen“, sagte Nerya Zexer, Postdoktorandin in Biologie am Penn State Eberly College of Science und Hauptautorin des RSC-Nachhaltigkeitspapiers. „Xylan umhüllt die Zellulose und reduziert so den Anteil der Enzyme, die sich an Zellulose binden und diese bewegen können. Lignin hemmt die Fähigkeit des Enzyms, sich an Zellulose zu binden, sowie deren Bewegung, wodurch die Geschwindigkeit und Entfernung des Enzyms verringert wird.“

Obwohl es Strategien gibt, Komponenten wie Xylan und Lignin aus der Zellulose zu entfernen, ist die Entfernung von Zellobiose den Forschern zufolge schwieriger. Eine Methode verwendet ein zweites Enzym zur Spaltung von Cellobiose, verursacht jedoch zusätzliche Kosten und erhöht die Komplexität des Systems.

„Etwa 50 Cent pro Gallone der Bioethanol-Produktionskosten entfallen allein auf Enzyme. Eine Minimierung dieser Kosten würde also viel dazu beitragen, Bioethanol aus Pflanzenabfällen konkurrenzfähiger gegenüber fossilen Brennstoffen oder Ethanol auf Maisbasis zu machen“, sagte Anderson. „Wir werden weiterhin untersuchen, wie Enzyme manipuliert werden können, und erforschen, wie Enzyme zusammenarbeiten könnten, mit dem Ziel, diesen Prozess so kostengünstig und effizient wie möglich zu gestalten.“

Referenz: Nong D, Haviland ZK, Zexer N, et al. Die Einzelmolekülverfolgung zeigt eine doppelte Vordertür-/Hintertürhemmung der Cel7A-Cellulase durch ihr Produkt Cellobiose. Proc Natl Acad Sci USA. 2024;121(18):e2322567121. doi: 10.1073/pnas.2322567121

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