211service.com
Maïs klaargemaakt voor het maken van biobrandstof
In een poging om de toevoer van biobrandstoffen in het land te stimuleren, hebben onderzoekers drie soorten genetisch gemodificeerde maïs gecreëerd om enzymen te produceren die de cellulose van de plant afbreken tot suikers die kunnen worden gefermenteerd tot ethanol. Door dergelijke enzymen rechtstreeks in de planten op te nemen, kunnen de kosten voor het omzetten van cellulose in biobrandstof worden verlaagd.
Scheuten en bladeren: Om de afbraak van cellulose in fermenteerbare suikers voor het maken van ethanol te vergemakkelijken, modificeert Mariam Sticklen van de Michigan State University maïs genetisch met genen die cellulose-afbrekende enzymen produceren in de stengels en bladeren van de plant. De enzymen worden pas geactiveerd nadat de maïs is geoogst, wanneer de plant wordt vermalen.
Vorig jaar riepen nieuwe federale regelgevingen op om de productie van hernieuwbare brandstoffen tegen 2022 te verhogen tot 36 miljard gallons per jaar - bijna vijf keer het huidige niveau. Tegenwoordig wordt bijna alle brandstof-ethanol in de Verenigde Staten geproduceerd uit maïskorrels. Om aan de vereiste toename te voldoen, wenden onderzoekers zich tot andere bronnen, zoals cellulose, een complexe koolhydraat die in alle planten voorkomt. Maïsbladeren en stengels, prairiegrassen en houtsnippers zijn de belangrijkste kandidaten voor de levering van cellulose. Cellulose-ethanol heeft veel voordelen ten opzichte van die geproduceerd uit maïskorrels. Cellulose is niet alleen extreem overvloedig en goedkoop; studies suggereren ook dat de productie en het gebruik van ethanol uit cellulose minder broeikasgassen zou kunnen opleveren.
Het grootste obstakel voor het commercieel haalbaar maken van cellulose-ethanol is echter de afbraak van cellulose. Enzymen die cellulose afbreken, cellulasen genaamd, worden meestal geproduceerd door microben die in grote bioreactoren worden gekweekt, een duur en energie-intensief proces. Om cellulose-ethanol echt concurrerend te maken, moeten we die kosten echt verlagen, zegt Michael J. Blaylock, vice-president systeemontwikkeling bij Edenspace, een gewasbiotechnologiebedrijf gevestigd in Manhattan, KS.
Mariam Sticklen, hoogleraar gewas- en bodemkunde aan de Michigan State University, in East Lansing, dacht dat ze de kosten van de productie van enzymen kon elimineren door maïsplanten te ontwikkelen om de enzymen zelf te produceren. In plaats van te vertrouwen op het energie-intensieve proces om ze in bioreactoren te produceren, gebruiken de planten de vrije energie van de zon om de enzymen te produceren, zegt ze.
Typisch vereist de afbraak van cellulose drie verschillende cellulasen. Vorig jaar meldde Sticklen dat hij maïs had aangepast met een gen voor een cellulase dat de lange celluloseketens in kleinere stukjes snijdt. Het gen is afkomstig van een microbe die in een hete bron leeft. Een maand later plaatste Sticklen een gen afkomstig van een bodemschimmel in het maïsgenoom. Dat gen codeert voor een enzym dat de kleinere stukjes cellulose in paren glucosemoleculen breekt. In deze laatste poging heeft Sticklen maïs gemodificeerd om een enzym te produceren dat de glucoseparen splitst in individuele suikermoleculen; het enzym wordt van nature geproduceerd door een microbe die in de maag van een koe leeft. Het eindresultaat: drie maïsstammen, die elk een enzym produceren dat essentieel is voor de volledige afbraak van cellulose.
Om te voorkomen dat de genen worden overgedragen op andere gewassen of wilde planten, worden de enzymen alleen geproduceerd in de bladeren en stengels van de plant, niet in de zaden, wortels of stuifmeel, zegt Sticklen. Om te voorkomen dat de maïs zichzelf verteert, heeft ze de planten zo gemanipuleerd dat de enzymen zich alleen ophopen in speciale opslagcompartimenten in de cellen, vacuolen genaamd. De cellulasen komen pas vrij nadat de plant is geoogst, tijdens de verwerking. Sticklen beschreef haar gemodificeerde gewassen vorige week op de nationale bijeenkomst van de American Chemical Society in New Orleans.
Hoewel het mogelijk is om alle drie de genen in een enkele plant op te nemen, zegt Sticklen, kan ze met drie verschillende maïsvariëteiten, elk met een ander gen, de omzetting van cellulose in suikers regelen. Voorlopige studies tonen aan dat de enzymen net zo efficiënt zijn als commercieel verkrijgbare enzymen wanneer ze worden gecombineerd in een verhouding van 1:4:1, zegt ze. De resultaten suggereren dat het mengen van de drie verschillende planten met dezelfde verhoudingen het beste resultaat geeft.
Ik denk dat de strategie om de enzymen in de vacuolen te compartimenteren geweldig is, zegt Susan Leschine, een microbioloog aan de Universiteit van Massachusetts Amherst. De vraag die ik heb is, werken de enzymen onder realistische omstandigheden? Verschillende soorten microben scheiden bijvoorbeeld hun eigen cellulasen uit die synergetisch werken om de cellulosevezels weg te knippen. Het is onduidelijk, zegt Leschine, hoe goed een enzym uit een microbe die in een hete bron leeft, zal werken met een enzym dat afkomstig is van een bodemschimmel. Deze verschillende enzymen zijn mogelijk niet actief onder dezelfde omstandigheden, zegt ze.
Edenspace, die momenteel de technologie van Sticklen ontwikkelt, verwacht binnen een jaar met veldproeven met haar genetisch gemodificeerde maïs te beginnen, met als doel de technologie binnen de komende drie jaar op de markt te brengen, zegt Blaylock. Het bedrijf is niet de enige die deze strategie nastreeft: Agrivida, een agrarisch biotechbedrijf gevestigd in Medford, MA, is ook bezig met het genetisch modificeren van maïs om de productie van cellulose-ethanol te vereenvoudigen.
Dit is echt de moeite waard om te volgen, zegt Michael Ladisch, hoogleraar landbouw- en biologische technologie aan de Purdue University in West Lafayette, IN. Aan het eind van de dag is het echter ingewikkelder dan het lijkt. Het belangrijkste obstakel is het vinden van manieren om ervoor te zorgen dat de enzymen de chemische en fysische voorbehandeling overleven die nodig is om de lignine - het taaie polymeer in celwanden dat planten kracht geeft - uit de cellulosevezels te verwijderen, zegt Ladisch, die momenteel met verlof is van Purdue om te dienen als Chief Technical Officer bij Mascoma, een biobrandstoffenbedrijf gevestigd in Brighton, MA.
Een oplossing is om de planten zo te engineeren dat ze slechts een milde voorbehandeling nodig hebben. Sticklen werkt bijvoorbeeld aan het verminderen van de hoeveelheid lignine in maïs en aan het wijzigen van de moleculaire configuratie van lignine, waardoor het gemakkelijker af te breken zou zijn. Hoewel haar werk momenteel gericht is op het aanpassen van maïs, zegt Sticklen dat de technologie uiteindelijk ook kan worden toegepast op andere gewassen, zoals switchgrass.