Ungeahnte Fähigkeiten

Pappeln werden zu lebenden Chemiefabriken

Wissenschaftler:innen unter der Leitung des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums nutzen schnell wachsende Pappeln, um wertvolle Rohstoffe für die Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe zu generieren. Bisher erfolgte die Produktion dieser Substanzen ausschließlich durch aufwendige chemische Verfahren.

Gezielter Gentransfer aus Bodenmikroben

Die Forscher:innen haben die Pappeln gentechnisch modifiziert und ihnen fünf Gene aus natürlichen Bodenmikroben eingefügt. Diese Eingriffe verändern den Ligninstoffwechsel der Pflanze. Neben 2-Pyron-4,6-dicarbonsäure werden durch die genetische Anpassung auch Vanillinsäure und Protocatechusäure produziert, die beide von industrieller Bedeutung sind, insbesondere für die Pharmaindustrie.

Durch die genetische Modifikation reduziert sich zudem die Ligninproduktion – ein natürlicher Klebstoff, der die Zellulosefasern stabilisiert. Gleichzeitig steigt der Gehalt an Glukose um 25 Prozent und der an Xylose um das 2,5-Fache. Beide Zuckerarten eignen sich für die Biokraftstoffproduktion. Auf diese Weise werden die Pappeln zu vielseitigen, lebenden Produktionssystemen.

Reduzierung der Importabhängigkeit

"Mit dieser Methode lassen sich flexible, inländische Lieferketten etablieren, die sowohl Kosten senken als auch die Abhängigkeit von importierten Spezialchemikalien verringern. Dieses Beispiel zeigt, wie grundlegende biologische Erkenntnisse über Pflanzenstoffwechsel in praxisrelevante Anwendungen umgesetzt werden können", erklärt Chang-Jun Liu, Leiter des Projekts.

Nidhi Dwivedi, die gemeinsam mit Liu in der Biologieabteilung des Brookhaven National Laboratory tätig ist, betont: "Pappeln wachsen schnell, sind anpassungsfähig und leicht zu vermehren. Durch die Einführung des neuen Stoffwechselwegs erweitern wir die Bandbreite der von diesen Bäumen produzierten Bioprodukte."

Schutz von Rinde und Wurzeln

Die Modifikationen führen zudem zu einer erhöhten Ansammlung der wachsartigen Substanz Suberin in Rinde und Wurzeln. Suberin schützt das Pflanzengewebe, unterstützt die Speicherung von Wasser und Nährstoffen und blockiert Schadstoffe. Auf diese Weise können die genetisch veränderten Pappeln auch unter suboptimalen Bedingungen gedeihen. Salzbelastete Böden, die infolge künstlicher Bewässerung zunehmend auftreten, stellen somit kein Wachstumshemmnis dar.

Dwivedi erläutert: "Diese Bäume können auf salzhaltigen Böden gedeihen, die für die Nahrungsmittelproduktion ungeeignet sind, sodass keine Konkurrenz zu landwirtschaftlichen Flächen entsteht. Unter Salzstress produzieren sie sogar noch mehr Bioprodukte als unter optimalen Bedingungen."

Aktuell werden die gentechnisch veränderten Pappeln in Gewächshäusern kultiviert; in einem nächsten Schritt ist die Anpflanzung im Freiland geplant.

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