Holz

Holz zu Treibstoffen: Mehr Tank, weniger Teller - dank Genome Editing?

Biotreibstoffe aus schnell wachsenden Bäumen, die keine Ansprüche an die Böden stellen und der Nahrungsmittelerzeugung keine Flächen wegnehmen. „Tank“, bei dem es keinen Konflikt mit „Teller“ gibt. Schon wär’s, wenn Holz nicht so eine störrische Substanz wäre. Um mehr Biotreibstoffe aus Holz zu erzeugen, müsste man den Hauptbestandteil ändern – die Lignozellulose.

Pappeln, Forschung

Forschung an Pappeln: Wenn sie weniger Lignin enthielten und dafür mehr Zelluse, wären schnellwachsenden Bäume besser geeignet für die Herstellung von Biotreibstoffen. Doch die Züchtung solcher Bäume dauert ewig - wenn es mit konventionellen Verfahren überhaupt möglich ist. Mit den neuen Genome Editing-Verfahren könnte sich das grundlegend ändern.

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Für Biotreibstoffe sind vor allem solche Pflanzen interessant, die in kurzer Zeit auf relativ kleinen Flächen viel Biomasse produzieren - und dabei nicht mit Nahrungspflanzen konkurrieren. Besonders schnell wachsende Bäume wie Pappeln oder Weiden bieten sich dafür an: Sie können auch an anspruchslosen Standorten wachsen, die für Nahrungspflanzen nicht geeignet sind. Das Problem: Der Hauptbestandteil verholzender Pflanzen ist Lignozellulose – ein komplexes Geflecht aus verschiedenen Biopolymeren: Zellulose, Hemizellulosen und Lignin. Um daraus Biotreibstoffe herstellen zu können, muss dieses äußerst stabile Stoffgemisch erst entwirrt und in kleinere Einheiten zerlegt werden. Einfach ist das nicht.

Zellulose und Lignin machen zusammen bis zu 80 Prozent der Pflanzenmasse aus. Lignin ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und damit eine der drei häufigsten organischen Verbindungen der Erde. Es sorgt für die Stabilität des Pflanzengewebes und schützt die Pflanze vor Schäden durch Schädlinge. Bei Bäumen kann der Ligningehalt bis zu 30 Prozent der Trockenmasse betragen, bei Gräsern liegt das Lignin deutlich weniger vernetzt vor als bei verholzten Pflanzen. Lignin ist eine der häufigsten organischen Verbindungen der Erde.

Für die Herstellung von Bioethanol oder anderen flüssigen Kraftstoffen ist jedoch nur die Zellulose von Interesse. Als Polysaccharid (Vielfachzucker) lässt sie sich mit Hilfe von Enzymen in kleinere Zuckermoleküle aufspalten, welche dann für die Bioethanolgewinnung genutzt werden können. Lignin hingegen - ein Makromolekül - ist aufgrund seiner komplizierten Struktur dafür nicht geeignet.

Um verholzte Pflanzen überhaupt zur Herstellung von Bioethanol verwenden zu können, muss die Zellulose zunächst vom Ligninanteil chemisch getrennt werden. Dieser Prozess ist energieaufwändig, teuer und belastet die Umwelt. Anschließend kann der eine Teil - Lignin - verbrannt werden und so thermische Energie liefern. Der andere - Zellulose – ist als Rohstoff nutzbar, nicht nur für Bioethanol, sondern auch um daraus Papier herzustellen.

Um aus pflanzlicher Biomasse effizienter Bioethanol gewinnen zu können, verfolgen Pflanzenforscher das Ziel, den Lignin-Anteil im Holz zu reduzieren und gleichzeitig den Zellulosegehalt zu erhöhen. Schon seit über 20 Jahren arbeitet man daran - auch mit gentechnischen Verfahren.

Konventionelle Züchtungsprogramme, bei denen verschiedene Elternlinien gekreuzt werden, sind schon allein wegen der langen Generationszeiten schwierig. Es dauert in der Regel mehrere Jahre, bis junge Bäume blühen und Nachkommen hervorbringen. Heute setzt man daher zunehmend auf die neuen Genome Editing-Verfahren. Mit ihnen sind gezielte Veränderungen einzelner Gene und DNA-Bausteine möglich. Wenn geeignete Ziele im Genom bekannt sind - Gene oder Genabschnitte, die den komplexen Stoffwechselweg zu Lignin steuern - können diese so „umgeschrieben“ werden, dass weniger Lignin und mehr Zellulose gebildet wird. Vor allem bei Bäumen würde eine erfolgreiche Anwendung von Genome Editing einen enormen Zeitgewinn bedeuten.

Pappel: Weniger Lignin, mehr Zellulose

So ist es amerikanischen Wissenschaftlern gelungen, den Ligningehalt von Pappeln um 20 Prozent zu senken. Dafür haben sie bestimmte, am Prozess der Ligninbildung beteiligte Gene mit Hilfe der CRISPR/Cas-Methode verändert oder abgeschaltet.

In einem anderen Forschungsprojekt wurde in den Syntheseweg von Lignin eingegriffen, so dass die Pflanzen eine veränderte Ligninstruktur aufwiesen. Der Gesamt-Ligningehalt in den so veränderten Pflanzen hatte sich zwar kaum verringert, aber der Anteil bestimmter Lignin-Bestandteile in den Zellwänden war deutlich reduziert. Die Bäume schienen dieses Defizit durch den Einbau von mehr Zellulosefasern zu kompensieren: Der Gesamt-Zellulosegehalt der Zellwände war in diesen Bäumen um 12 Prozent höher im Vergleich zu den Kontrollbäumen. Außerdem enthielt die Holz-Biomasse 62 Prozent mehr einfache Zucker. Insgesamt konnte aus diesen Pappeln bis zu 49 Prozent mehr Ethanol gewonnen werden.

Auch in der EU haben in den letzten Jahren über 40 Freilandversuche mit gentechnisch veränderten Pappeln stattgefunden. Aktuell laufen noch neun Versuche, davon sechs in Schweden (2018). Dabei ging es vor allem um eine Steigerung der Biomasse und eine Senkung des Ligningehaltes. Die Ziele haben sich kaum verändert, allerdings ist es mit den neuen Genome Editing-Verfahren, aber auch mit der Cisgenetik, einer Variante der Gentechnik, bei der nur arteigene Gene und Genmaterial übertragen werden, möglich geworden, schneller und vor allem präziser einzelne DNA-Bausteine im Genom der Bäume so „umzuschreiben“, wie es für eine bessere Eignung als Bioenergie-Rohstoff erforderlich ist.

Zuckerrohr und Rutenhirse: Weniger Lignin, mehr Zucker

Auch bei anderen, für die Bioethanolherstellung genutzten Pflanzen verfolgen Forscher das Ziel, die Inhaltsstoffe entsprechend zu optimieren. Etwa bei Zuckerrohr, der für die Bioethanolproduktion effizientesten Kulturpflanze. Sie bildet viel Biomasse und reichert Zucker im Stängel an. Wissenschaftler an der University of Florida haben mit Genome Editing (TALEN) bei Zuckerrohrpflanzen ein Gen (Caffeic acid O-methyltransferase, COMT) ausgeschaltet, welches an der Ligninbiosynthese beteiligt ist. Die so editierten Zuckerrohrpflanzen wurden bereits in Feldversuchen getestet: Der Ligningehalt war knapp 20 Prozent reduziert, die Verzuckerungseffizienz konnte insgesamt um 43,8 Prozent gesteigert werden.

Ähnliche Ergebnisse erzielte ein Forscherteam aus den USA bei Rutenhirse. Dieses aus Nordamerika stammende Präriegras gilt als besonders effektive Pflanze für die Bioethanolherstellung. Als C4-Pflanze verfügt sie über eine Turbo-Fotosynthese, sie kann besonders viel und schnell Biomasse bilden. Die Wissenschaftler schalteten mit Hilfe des Genome Editing-Verfahrens CRISPR/Cas ein Gen (Pv4CL1) aus, welches bei der Synthese eines Ligninbestandteils eine Rolle spielt. Pflanzen, bei denen alle vier Varianten (Allele) dieses Gens ausgeschaltet waren, wiesen einen deutlich reduzierten Ligningehalt und gleichzeitig einen höheren Zuckergehalt (Glukose und Xylose) auf.