211service.com
Majs grundmålad för att göra biobränsle
I ett försök att hjälpa till att öka landets utbud av biobränslen har forskare skapat tre stammar av genetiskt modifierad majs för att tillverka enzymer som bryter ner växtens cellulosa till sockerarter som kan fermenteras till etanol. Att införliva sådana enzymer direkt i växterna skulle kunna minska kostnaderna för att omvandla cellulosa till biobränsle.
Skott och löv: För att underlätta nedbrytningen av cellulosa till fermenterbara sockerarter för framställning av etanol, genetiskt modifierar Mariam Sticklen från Michigan State University majs med gener som producerar cellulosanedbrytande enzymer i växtens stjälkar och blad. Enzymerna aktiveras först efter att majsen skördats, när plantan mals upp.
Förra året krävde nya federala bestämmelser att produktionen av förnybara bränslen skulle öka till 36 miljarder gallon årligen – nästan fem gånger nuvarande nivåer – till 2022. Idag produceras nästan all bränsleetanol i USA från majskärnor. För att möta den nödvändiga ökningen vänder sig forskarna till andra källor, som cellulosa, en komplex kolhydrat som finns i alla växter. Majsblad och stjälkar, präriegräs och träflis är ledande kandidater för leveranser av cellulosa. Cellulosaetanol har många fördelar jämfört med den som framställs av majskärnor. Cellulosa är inte bara extremt rikligt och billigt; studier tyder också på att produktion och användning av etanol från cellulosa skulle kunna ge färre växthusgaser.
Det största hindret för att göra cellulosaetanol kommersiellt genomförbart är dock nedbrytningen av cellulosa. Enzymer som bryter ner cellulosa, kallade cellulaser, produceras vanligtvis av mikrober som odlas inuti stora bioreaktorer, en dyr och energikrävande process. För att göra cellulosaetanol riktigt konkurrenskraftigt måste vi verkligen få ner de kostnaderna, säger Michael J. Blaylock, vice vd för systemutveckling på Edenspace, ett bioteknikföretag för grödor baserat på Manhattan, KS.
Mariam Sticklen, professor i växt- och jordvetenskap vid Michigan State University, i East Lansing, ansåg att hon kunde eliminera kostnaden för att tillverka enzymer genom att konstruera majsväxter för att själva producera enzymerna. Istället för att förlita sig på den energikrävande processen att producera dem i bioreaktorer använder växterna solens fria energi för att producera enzymerna, säger hon.
Vanligtvis kräver nedbrytningen av cellulosa tre olika cellulaser. Förra året rapporterade Sticklen modifiering av majs med en gen för ett cellulas som skär de långa cellulosakedjorna i mindre bitar. Genen kom från en mikrob som lever i en varm källa. En månad senare infogade Sticklen en gen som härrör från en jordsvamp i majsgenomet. Den genen kodar för ett enzym som bryter de mindre bitarna av cellulosa till par av glukosmolekyler. I denna senaste ansträngning har Sticklen modifierat majs för att producera ett enzym som delar glukosparen i individuella sockermolekyler; enzymet produceras naturligt av en mikrob som lever inuti en kons mage. Slutresultatet: tre majsstammar, som var och en producerar ett enzym som är nödvändigt för fullständig nedbrytning av cellulosa.
För att undvika möjligheten att överföra generna till andra grödor eller vilda växter produceras enzymerna bara i växtens blad och stjälkar, inte i dess frön, rötter eller pollen, säger Sticklen. Dessutom, för att förhindra att majsen smälter sig själv, konstruerade hon växterna så att enzymerna bara ackumuleras i speciella förvaringsfack inuti cellerna, så kallade vakuoler. Cellulaserna frigörs först efter att växten skördats, under bearbetning. Sticklen beskrev sina modifierade grödor förra veckan vid American Chemical Societys nationella möte i New Orleans.
Även om det är möjligt att införliva alla tre generna i en enda växt, säger Sticklen, med hjälp av tre olika majssorter, som var och en bär en annan gen, kommer hon att kunna kontrollera omvandlingen av cellulosa till sockerarter. Preliminära studier visar att enzymerna är lika effektiva som kommersiellt tillgängliga enzymer när de kombineras i förhållandet 1:4:1, säger hon. Resultaten tyder på att en blandning av de tre olika växterna med samma förhållanden ger det bästa resultatet.
Jag tycker att strategin att uppdela enzymerna i vakuolerna är fantastisk, säger Susan Leschine, mikrobiolog vid University of Massachusetts Amherst. Frågan jag har är, fungerar enzymerna under förhållanden som är realistiska? Till exempel utsöndrar olika mikroberarter sina egna cellulaser som arbetar synergistiskt för att flisa bort cellulosafibrerna. Det är oklart, säger Leschine, hur väl ett enzym som tas från en mikrob som lever i en varm källa kommer att fungera med ett enzym från en jordsvamp. Dessa olika enzymer kanske inte är aktiva under samma förhållanden, säger hon.
Edenspace, som för närvarande utvecklar Sticklens teknologi, förväntar sig att påbörja fältförsök av hennes genetiskt modifierade majs inom året, med målet att kommersialisera tekniken inom de närmaste tre åren, säger Blaylock. Företaget är inte ensamt om att följa denna strategi: Agrivida, ett jordbruksbioteknikföretag baserat i Medford, MA, genetiskt modifierar majs för att förenkla produktionen av cellulosaetanol.
Det här är verkligen en värdefull väg att följa, säger Michael Ladisch, professor i jordbruks- och biologisk teknik vid Purdue University, i West Lafayette, IN. Men i slutet av dagen är det mer komplicerat än det verkar. Det största hindret är att hitta sätt att säkerställa att enzymerna kommer att överleva den kemiska och fysiska förbehandling som behövs för att avlägsna ligninet – den sega polymeren i cellväggarna som ger växterna styrka – från cellulosafibrerna, säger Ladisch, som för närvarande är ledig från Purdue kommer att fungera som teknisk chef på Mascoma, ett biobränsleföretag baserat i Brighton, MA.
En lösning är att konstruera växterna så att de endast kräver en mild förbehandling. Sticklen arbetar till exempel med att minska mängden lignin i majs, samt att modifiera den molekylära konfigurationen av lignin, vilket skulle göra det lättare att bryta ner. Även om hennes arbete för närvarande är inriktat på att modifiera majs, säger Sticklen att tekniken så småningom kan överföras till andra grödor också, såsom switchgrass.