Arabidopsis-plantjes in een serre van het CSIRO Discovery Center laboratorium. Carl Davies/CSIRO

Gentse vorsers halen vier keer meer suiker voor bio-brandstof uit gemodificeerde modelplant Arabidopsis

Om de industriële verwerking van biomassa tot energie te vergemakkelijken, worden planten gemodificeerd om minder lignine te bevatten. Jammer genoeg leidt dat meestal tot lagere opbrengsten. Onderzoekers van het VIB-UGent Center for Plant Systems Biology hebben een oplossing voor dit probleem gevonden, die niet alleen de biomassa herstelt, maar de opbrengst zelfs verhoogt. De bevindingen van hun studie zijn een belangrijke stap in de ontwikkeling van basismateriaal voor de productie van biobrandstoffen en andere bio-materialen. 

De toegenomen vraag naar energie, de uitputting van fossiele voorraden en de opwarming van de aarde, maken een overgang van de huidige op fossiele brandstoffen gebaseerde economie naar een economie op hernieuwbare bio-grondstoffen onvermijdelijk. De biomassa van planten doet dienst als een hernieuwbare en CO2-neutrale grondstof voor de productie van bio-energie en een waaier aan chemische stoffen. De industriële verwerking van biomassa wordt echter gehinderd door de aanwezigheid van lignine, een bouwsteen van lignocellulose. 

Lignine is een organische polymeer - een lange molecule -, en na cellulose het meest voorkomend organisch materiaal op aarde. De sterkte van hout is het resultaat van de interactie tussen cellulose en de lignine erom heen, waarbij lignocellulose gevormd wordt. Lignine geeft het hout stijfheid en het rot niet makkelijk.  Zo'n 25 tot 33 procent van de droge massa van hout bestaat uit lignine. 

Biomassa op basis van lignocellulose is zeer rijk aan suiker, die gebruikt kan worden voor de productie van bijvoorbeeld bio-ethanol, maar die suiker uit de plant krijgen, is makkelijker gezegd dan gedaan. De lignine versterkt de celwanden, maar hij houdt ook de suikers gevangen in de cellen.  

Een zandraket (Arabidopsis thaliana) in bloei. De zandraket is een klein plantje waarvan het hele genoom ontrafeld is, en dat vaak als model wordt genomen in laboratoriumexperimenten. (Foto: Benjamin Zwittnig/Wikimedia Commons)

Watergeleidende cellen

"Om dit probleem aan te pakken, worden planten gemodificeerd om minder lignine te bevatten. Die planten betekenen een grote verbetering wat de efficiëntie van de verwerking betreft, dat wil zeggen dat we de suiker er gemakkelijker uitkrijgen. Maar tegelijkertijd duikt er een nieuw probleem op:  er is een verlies van opbrengst", zei professor Wout Boerjan van VIB-UGent op de site van het VIB. 

In hun nieuwe studie zochten professor Boerjan, doctoraatsstudent Barbara De Meester, doctor Ruben Vanholme en hun team naar een oplossing voor dat probleem. Het vertrekpunt van hun experiment was een mutante dwergvorm van Arabidopsis, die slechts de helft bevatte van de normale hoeveelheid lignine. 

"De cellen die water vervoeren in de gemuteerde planten, zakken in door het gebrek aan lignine, wat een negatieve invloed heeft op het transport van water door de stengel. Om de normale groei te herstellen, lieten we toe dat de biosynthese - de vorming op natuurlijke wijze - van lignine plaatsvond specifiek in die watergeleidende cellen. Verrassend was dat we niet enkel de normale groei herstelden, maar een toename vaststelden van de biomassa van de planten met wel 60 procent", zo zei Barbara De Meester.

"De combinatie van een lage hoeveelheid lignine en een toegenomen biomassa in onze gemodificeerde planten, leidde ertoe dat er vier keer meer suiker uit gehaald kon worden dan uit wilde planten. En het is net die suiker die we nodig hebben om van een "fossiele" economie over te gaan naar een bio-economie", zei Ruben Vanholme. 

De wetenschappers hebben hun onderzoek nu uitgebreid, en gaan na of deze strategie ook werkt bij populieren. Omdat die erg snel groeien, zijn ze een veelbelovende grondstof voor toekomstige bio-raffinaderijen.

De studie van De Meester, Vanholme, Boerjan en hun team is gepubliceerd in "Plant Physiology".  

Een aanplanting van populieren in de Dordogne (Foto: Père Igor/Wikimedia Commons).