Celwanden aanpakken voor een duurzame toekomst

4 september 2024

*Lennart Hoengenaert presenting his research at the VIB Seminar*

-geschreven door Lennart Hoengenaert, een postdoctoraal onderzoeker aan het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie

Wist je dat een van de meest onderbenutte hulpbronnen op onze planeet iets is wat we elke dag zien? Het is overal om ons heen - planten. Hoewel we gewoonlijk aan planten denken als bronnen van voedsel en medicijnen, hebben ze veel meer potentieel dan we beseffen. Stel je eens voor dat je planten kunt gebruiken om duurzame brandstoffen en hernieuwbare materialen te produceren, zoals plastic en chemicaliën, die normaal gesproken worden gemaakt van fossiele grondstoffen. Het gebruik van planten in plaats daarvan kan een doorbraak betekenen in onze strijd tegen klimaatverandering.

Plantaardige biomassa kan worden gebruikt voor de duurzame productie van biobrandstoffen en voor de productie van hernieuwbare materialen zoals bioplastics en biochemicaliën.

Maar er zit een addertje onder het gras. Het efficiënte gebruik van plantaardige biomassa in de industrie wordt momenteel belemmerd door een moeilijk obstakel: een complex polymeer dat aanwezig is in de celwand van de plant, lignine genaamd. Lignine werkt als lijm, houdt alles bij elkaar en maakt het moeilijk om waardevolle componenten uit de celwand te halen die essentieel zijn voor de productie van biobrandstoffen en biomaterialen.

Gewijzigd lignine

In de onderzoeksgroep van Prof. Wout Boerjan, aan het VIB-UGent Center for Plant Systems Biology, werken we aan een oplossing voor dit probleem door de samenstelling van de plantencelwand te bestuderen. In tegenstelling tot dierlijke cellen worden plantencellen omgeven door een dikke en stijve celwand die bestaat uit drie belangrijke polymeren: cellulose, hemicellulose (beide polymeren van enkelvoudige suikers) en lignine. Terwijl cellulose en hemicellulose cruciaal zijn voor de productie van biobrandstoffen en andere producten, bemoeilijkt lignine de extractie ervan.

Je zou kunnen denken aan een mogelijke oplossing door simpelweg de hoeveelheid lignine in de plantencelwand te verminderen, maar zo eenvoudig is het helaas niet. Lignine versterkt de plant en is belangrijk voor het transport van water. Daarom hebben we een andere fascinerende oplossing onderzocht: het wijzigen van de samenstelling van lignine zelf. Normaal gesproken bestaat lignine uit drie bouwstenen (die we H-eenheden, G-eenheden en S-eenheden noemen), maar planten hebben een uniek vermogen om ook andere soorten bouwstenen op te nemen. Eén daarvan is het natuurlijke component scopoletine.

Door scopoletine in het ligninepolymeer te introduceren, kunnen we zwakke schakels in de keten creëren die gemakkelijker te breken is in de bioraffinaderij. Dit vergroot de hoeveelheid fermenteerbare suikers die uit de plant kunnen vrijkomen en die vervolgens kunnen worden omgezet in een verscheidenheid aan producten, waaronder biobrandstoffen en bioplastics.

Tijdens mijn doctoraatsonderzoek heb ik de genen die verantwoordelijk zijn voor de biosynthese van scopoletine overgeëxpresseerd om planten te produceren met een ligninepolymeer dat gemakkelijk te breken is in de bioraffinaderij. De resultaten waren veelbelovend! Onze planten produceerden niet alleen grote hoeveelheden scopoletine, maar hadden ook gele celwanden die fluoresceerden onder de microscoop - duidelijke tekenen dat scopoletine werd opgenomen in het ligninepolymeer.

Het ligninepolymeer van ons modelorganisme Arabidopsis thaliana (links) werd verrijkt met een nieuwe bouwsteen scopoletine, waardoor er 40% meer suiker vrijkwam na een alkalische voorbehandeling (rechts).

En het beste deel? Deze gemodificeerde planten gaven 40% meer suiker af tijdens de verwerking, waardoor ze veel efficiënter zijn in de bioraffinaderij.

Maar dit is nog maar het begin. Mijn collega Nette vertaalt dit onderzoek nu van het laboratorium naar het veld, met populieren als modelorganisme. Laten we het potentieel omarmen van wat we het meest overvloedig op aarde hebben - planten - en op weg gaan naar een duurzame biogebaseerde economie.

Microscoopafbeelding van een dwarsdoorsnede van een Arabidopsis stengel die een met scopoletine verrijkt ligninepolymeer laat zien. Chlorofyl (groen) is zichtbaar in de buitenste epidermis en mesofylcellen, terwijl het met scopoletine verrijkte ligninepolymeer in rood onder deze lagen verschijnt. Deze modificatie zorgt voor een toename van 40% in het vrijkomen van fermenteerbare suikers uit de plant, die vervolgens kunnen worden omgezet in een verscheidenheid aan producten, waaronder biobrandstoffen en bioplastics.

Publicatie

Lennart Hoengenaert et al., Overexpression of the scopoletin biosynthetic pathway enhances lignocellulosic biomass processing. Sci. Adv. 8, eabo5738(2022). DOI:10.1126/sciadv.abo5738