Onderzoekers zijn bezig met het construeren van populieren om de waardevolle chemische stof squaleen te synthetiseren, die doorgaans uit de lever van haaien wordt geoogst.

Wat hebben populieren, haaien en biobrandstoffen met elkaar gemeen? Hoewel het misschien een puzzel lijkt, heeft een team onder leiding van biochemici van de Michigan State University spannende resultaten opgeleverd met betrekking tot alle drie in de zoektocht naar schonere energie.

Gepubliceerd in Tijdschrift voor Plantenbiotechnologiehet team Nieuwste papier Onderzoekt hoe populieren kunnen worden ontwikkeld om een ​​hoogwaardige chemische stof te produceren die doorgaans wordt verkregen uit de lever van haaien.

Het manipuleren van populieren om deze chemische stof te produceren zou hun economische levensvatbaarheid als toch al veelbelovende bron van biobrandstof vergroten en de destructieve haaienvisserij helpen verminderen.

“Ik denk dat dit project echt laat zien hoe industriële gewassen op nieuwe manieren kunnen worden gebruikt”, zegt Jake Pepik, eerste auteur van het onderzoek en voormalig doctoraatsstudent in het laboratorium van onderzoeker Björn Hamberger van de Michigan State University.

“Het gebruik van genetisch gemodificeerde, niet-voedingsgewassen zoals populier kan een duurzamer alternatief bieden voor het genereren van chemicaliën die doorgaans zijn afgeleid van fossiele brandstoffen, of zelfs geheel nieuwe speciale chemicaliën.”

Ik wens je waardevolle aankopen

Op zichzelf voldoen populieren aan veel van de voorwaarden die nodig zijn om een ​​succesvolle grondstof voor de productie van biobrandstoffen te worden.

Ze groeien snel op land dat niet voor landbouw wordt gebruikt, en hun biomassa – het organische materiaal waarin energie wordt opgeslagen – kan worden afgebroken en gefermenteerd om biobrandstof te produceren.

Een van onze grootste uitdagingen is eenvoudige economie. “Biobrandstoffen zijn nog steeds niet concurrerend met de goedkope petrochemicaliën die er zijn”, zegt Hamburger, hoogleraar biochemie en moleculaire biologie aan het College voor Natuurwetenschappen.

Hamburger is ook onderzoeksmedewerker bij het Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), een onderzoeksfaciliteit voor bio-energie onder leiding van de Universiteit van Wisconsin-Madison.

GLBRC-wetenschappers hebben lang gezocht naar manieren om andere hoogwaardige producten uit biomassa te halen. Onderzoek heeft aangetoond dat populier een levensvatbare bron kan zijn van para-aminofenol, dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van kleurstoffen, lijmen en andere polymeren, evenals van paracetamol, het actieve ingrediënt in Tylenol.

Toen Hamburger in 2015 bij het centrum kwam, stelde hij voor zich te richten op terpenen, een groep chemische verbindingen die planten gebruiken bij unieke ecologische interacties, zoals het aantrekken van bestuivers of de verdediging tegen ongedierte.

“Terpenen zijn de oudste en grootste klasse van gespecialiseerde metabolieten ter wereld”, zegt Hamburger, die ook lid is van de faculteit in de programma’s Moleculaire Plantwetenschappen, Genetica, Genomica, Celwetenschappen en Moleculaire Biologie aan de Michigan State University.

“Vanwege hun belang bij allerlei soorten reacties heeft dit hun diversiteit vergroot tot een verbazingwekkend punt waarop de chemie daar absoluut verbazingwekkend is geworden.”

Terpenen worden al duizenden jaren door mensen gebruikt. Er is aangetoond dat ze ontstekingsremmende, antimicrobiële, kankerbestrijdende en antibacteriële eigenschappen hebben en essentiële ingrediënten zijn in smaken, cosmetica en parfums, om er maar een paar te noemen.

Pepik, Hamberger en hun collega's richtten zich op een organische verbinding genaamd squaleen, een organische verbinding die veel wordt gebruikt in cosmetische producten en een essentieel ingrediënt in vaccins.

Tegenwoordig komt het meeste squaleen uit haaienlever. De naam van de chemische stof komt zelfs van het Latijnse woord voor haai, squalus.

Tijdens het project heeft het team populieren ontworpen om squaleen te produceren via twee verschillende chemische routes.

Eén route is afhankelijk van een gelachtige substantie die bekend staat als cytosol en die in het centrum van cellen wordt aangetroffen, terwijl een andere route squaleen probeert te produceren in chloroplasten, de organellen die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese.

Professor Shaun Mansfield van de Universiteit van British Columbia, een expert op het gebied van de conversie van populieren en betrokken bij de laatste studie, zei: “Door koolstof weg te leiden van het normale metabolisme om gespecialiseerde chemicaliën te maken in de unieke weefsels en druppels van populieren, gebruiken Hamburger en zijn team een zeer innovatieve strategie om bomen om te zetten in biologische fabrieken.

“Het is spannend om deel uit te maken van dit nieuwe en zeer innovatieve project.”

Terwijl bleek dat de cytosolroute de wortelvorming van populieren verstoorde, resulteerde de chloroplastroute in de productie van 0,63 milligram per gram squaleen in de bladeren.

Met zo’n veelbelovend resultaat is het tijd voor wat Hamburger een ‘reality check’ noemt.

Ik ben op zoek naar een promotie

In samenwerking met Christos Maravelis, hoogleraar chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Princeton, voerde het team vervolgens een analyse uit om de minimale verkoopprijs te bepalen waartegen squaleen geproduceerd uit populierenhout verkocht zou moeten worden om break-even te draaien.

De onderzoekers ontdekten dat dit cijfer $144 per kilogram bedraagt, terwijl de prijs van squaleen gewonnen uit haaien $40 per kilogram bereikt.

“Als je een groen product aan een klant wilt verkopen, moet het niet alleen groen zijn, maar ook betaalbaar”, aldus Hamburger.

“Gelukkig zijn er verschillende manieren om de waarde te vergroten. Eén manier is om de totale productie te verhogen, en de andere manier leidt ons naar de wondere wereld van parfums en een ander zeedierproduct, barnsteen.”

Amber wordt geproduceerd in het spijsverteringskanaal van potvissen en wordt in parfums gebruikt om de geur te verlengen.

Squaleen zou kunnen worden “opgewaardeerd” tot ambergrijs, een andere hoogwaardige terpeenverbinding in barnsteen, zei Hamburger. Wetenschappers hebben al aangetoond dat het mogelijk is bacteriën te manipuleren om ambre te produceren, wat de weg vrijmaakt voor verder onderzoek naar hoe populieren hetzelfde kunnen doen.

Bovendien toonde een van de studiedeelnemers van de Michigan State University, Tom Sharkey, aan dat populieren die genetisch gemodificeerd zijn om squaleen te produceren, minder isopreen uitstoten, wat indirect bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde.

“Jake, Bjorn en hun collega’s werken aan wat misschien wel de meest veelbelovende methode is voor het maken van speciale chemicaliën en brandstoffen wanneer vloeibare brandstoffen de enige oplossing zijn, zoals bij vliegtuigreizen”, zegt Sharkey, een vooraanstaande professor bij BMB. Sharkey is ook verbonden aan het Michigan State University Department of Energy Plants Research Laboratory en het Plant Resilience Institute.

Dankzij deze collectieve bevindingen konden de onderzoekers nieuwe wegen inslaan in de zoektocht om populieren om te vormen tot een aantrekkelijkere bron van biobrandstoffen en waardevolle verbindingen.

Voor Bebek, nu senior wetenschapper bij het biotechnologiebedrijf Melatek, vertegenwoordigen de bevindingen van het team uiteindelijk een nieuwe stap in de richting van het benutten van de biochemische diversiteit van onze planeet om enkele van de grootste uitdagingen aan te pakken.

“Ik geloof dat dit werk bijdraagt ​​aan de groeiende basis die nodig is om plantengineering en terpenoïdenonderzoek te kunnen vertalen naar zinvolle biotechnologieën.”