Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Widerstand ist zwecklos - Verringerte Ligninsynthese durch ein ausgeknipstes Gen

27.08.2013
Wissenschaftler entdecken ein neues Enzym, mit dessen Ausschaltung die Lignineinlagerung in Pflanzenzellen verringert werden kann. Eine effizientere Produktion von Biokraftstoffen der zweiten Generation ist eine damit verbundene Hoffnung.

Lignin ist ein wichtiger Stoff für Gefäßpflanzen, ohne den sie nicht existieren können. Es wird in die Zellwände eingelagert, so dass Landpflanzen Stabilität für das Wachstum erlangen. Lignine dichten zudem Zellwände ab und ermöglichen so den Wassertransport in den dafür vorgesehenen Leitungsbahnen (Xylem).


Holzzellen im Mikroskop: Lignineinlagerungen imprägnieren die Leitungsbahnen und helfen der Pflanze, aufrecht zu stehen. (Quelle: © iStockphoto.com/ BeholdingEye)

Neben dem Stoff Chitin, der tierische Körperstrukturen stabilisiert, und Cellulose ist Lignin der am meisten produzierte Stoff auf der Welt, es werden etwa 20 Milliarden Tonnen pro Jahr gebildet.

Trotzdem ist Lignin bei der Verarbeitung von Pflanzenmaterial für Biokraftstoffe, Papierherstellung und andere industrielle Verfahren ein nicht so gerne gesehener Stoff. Er macht die Zellwände widerstandsfähig gegen dem Abbau (zum Beispiel mit Enzymen bei der Umsetzung zu Glucose) und verringert so die Kraftstoffausbeute. Die chemische oder technische Entfernung von Lignin ist aufwändig und teuer. Daher besteht schon länger ein Interesse daran, die Ligninmenge beim Pflanzenwachstum zu beschränken. Bisher gab es dabei Probleme, weil die Pflanzen durch den Ligninmangel Entwicklungsstörungen wie Zwergwuchs aufwiesen und dadurch wiederum weniger Biomasse produzierten. Wissenschaftler haben jetzt herausgefunden, wie man den Ligningehalt in Pflanzenzellen ohne große Wachstumseinbußen verringern kann.

Ein neues Enzym

Das Enzym Caffeoyl-Shikimat-Esterase (CSE) wurde erstmals im Zusammenhang mit oxidativem Stress in Pflanzenzellen beschrieben. In ihrer neuen Studie beobachteten die Wissenschaftler jetzt, dass das Enzym zusammen mit anderen Enzymen der Lignin-Biosynthese exprimiert wird, obwohl es bisher keine bekannte Funktion in diesem Syntheseweg hatte. Um den Zweck des Enzyms zu erkunden, konstruierten die Forscher in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zwei Mutanten, die Veränderungen am CSE-exprimierenden Gen besaßen: In der Mutante cse-1 wurde die Genexpression verringert (Knock-down), in der Mutante cse-2 wurde das Gen ausgeschaltet (Knock-out).

Bei der cse-2 Mutante traten Zellen mit geschwächten Zellwandstrukturen. Die Pflanzen enthielten 36 Prozent weniger lösliches Lignin, als die Wildtypflanzen. Die Mutanten zeigten jedoch auch um 37 Prozent schmalere und um 42 Prozent schwächere Blütenstiele als der Wildtyp. Bei den Mutanten, bei denen CSE nur herunter reguliert wurde, gab es keine Einbußen bei der Entwicklung.

Eine Testreihe mit unterschiedlichen Substanzen, zeigte, dass CSE als Substrat vor allem die Substanz Caffeoyl Shikimat umsetzt. Caffeoyl Shikimat ist ein bekanntes Zwischenprodukt in der Lignin-Biosynthese. Das Enzym CSE hat hier offenbar eine wichtige Funktion.

Zwei Wege führen zum Ziel

Allerdings zeigten weitere Versuche, dass der Umbau von Caffeoyl Shikimat zu Caffeoyl-CoA, wie er in der bisher bekannten Lignin-Synthese vorkommt, mit CSE nicht zu bewerkstelligen ist, wohl aber mit einem anderen, in der Lignin-Biosynthese wichtigen Enzym, der Hydroxycinnamoyl-CoA:Shikimat/Quinat Hydroxycinnamoyltransferase (HCT). Daher scheint Caffeoyl Shikimat sowohl für CSE als auch für HCT als Substrat zu dienen.

Bisher war man davon ausgegangen, dass Caffeoyl Shikimat ausschließlich von der HCT direkt zu Caffeoyl-CoA umgesetzt wird. Daher vermuten die Wissenschaftler, dass es einen alternativen Syntheseweg geben muss, der über das Enzym CSE verläuft. Darauf weist auch der hohe Gehalt an Caffeoyl Shikimat in der Knock-out-Variante hin, der von der HCT allein offenbar nur langsam umgesetzt wurde. Da aber trotzdem ein Rest Lignin in der cse2-Mutante vorhanden ist, scheint auch die HCT allein etwas Lignin zustande zu bringen, kann aber den Verlust der CSE nicht kompensieren. Hier vermuten die Forscher einen Schaltpunkt, um die Lignin-Konzentration in der Pflanze zu regulieren.

Weniger Lignin, mehr Zucker

Um festzustellen, inwieweit Pflanzen mit geringerem Ligningehalt bei der Verzuckerung besser verwertet werden können, untersuchten die Forscher die Umsetzung von Cellulose zu Glucose mit Pflanzenmaterial der cse-Mutanten und mit dem Wildtyp. Sie stellten fest, dass die Mutanten mit weniger Lignin (cse-2) die höchsten bisher in Mutanten gemessenen Umsetzungsraten aufwiesen: Die Cellulose der cse-2 Arabidopsis Pflanzen wurde mit der vierfachen Effizienz verzuckert, als es bei den Wildtyp-Pflanzen der Fall war.

Daraus schlussfolgern die Forscher, dass das Enzym CSE ein wichtiger Schlüssel sein könnte, um die Widerstandskraft von Zellwänden bei der Verarbeitung zu schwächen. CSE-ähnliche Enzyme entdeckten die Wissenschaftler in verschiedenen Pflanzenarten, darunter Pappeln, Eukalyptus und der amerikanischen Rutenhirse. CSE-Mutanten mit weniger Lignin in den Zellwänden könnten eine höhere Ausbeute bei der Verzuckerung von Cellulose bieten, die wiederum für Biokraftstoffe oder die industrielle Produktion verwendet werden können. Dafür müssten nach Meinung der Forscher aber zunächst der die von ihnen entdeckten Ergebnisse weitergehend untersucht und der bisher bekannte Verlauf der Lignin-Biosynthese entsprechend erweitert werden.

Quelle:
Vanholme, R. et al (2013): Caffeoyl Shikimate Esterase (CSE) is an enzyme in the lignin biosynthetic pathway. In: Science, (Published Online 15. August 2013). DOI.10.1126/science.1241602.

Vanholme, R. et al | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=9307

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie