Stort potentiale i at regulere planters drivhusgasudledning

Du kan ikke se dem med det blotte øje, men de fleste planter udsender flygtige gasser - isoprenoider - til atmosfæren, når de trækker vejret og vokser. Nogle planter udsender næsten ingenting; andre udleder kilogram årligt.

Hvorfor er planteisoprenoidemissioner interessante? Godt, isoprenoider bidrager enormt til mængden af ​​kulbrinter, der frigives til atmosfæren, hvor de kan omdannes til potente drivhusgasser, påvirker klimaforandringerne. Rent faktisk, det er blevet anslået, at kortkædede isoprenoider tegner sig for mere end 80 % af alle flygtige organiske forbindelser, der udsendes fra alle levende organismer, i alt omkring 650 millioner tons kulstof om året.

"Vi opdagede en ny måde, hvorpå planter regulerer, hvor meget flygtige isoprenoider de udsender til atmosfæren, som længe havde været ukendt. Nogle planter udleder meget, mens meget lignende arter slet ikke udsender dem. Dette er interessant fra et grundforskningssynspunkt for bedre at forstå disse emissioner, og hvordan dyrkning af forskellige planter kan påvirke kulstofkredsløbet og påvirke drivhusgasser, " siger førsteforfatteren bag en ny undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i eLife , Seniorforsker Mareike Bongers fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability og Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology, University of Queensland.

Afgrøder, der udsender meget isopren, er, for eksempel, palmeolie træer; gran, som dyrkes til tømmer; og aspetræer, som dyrkes til træ og biobrændsel. Med denne viden, landmænd kunne i princippet optimere skovjord og landbrugsareal ved at plante færre højemitterende planter og flere nul-emittere.

"Det skal siges, selvom, at vi ikke med sikkerhed ved, at alle effekter af disse emissioner er dårlige, der er brug for mere forskning i det. Men hvad der er klart er, at mange af de skadelige virkninger af isoprenoidemissioner sker, når de reagerer med almindelige luftforurenende stoffer, som påvirker drivhusgasdannelsen og luftkvaliteten. Derfor, store plantager med høje emissioner er særligt besværlige i nærheden af ​​industriel eller kommunal luftforurening. Så, at reducere forureningen er en anden måde at løse problemet på, " siger Mareike Bongers.

Forskerne bag denne undersøgelse undersøger nu muligheden for at bruge denne nye viden i anvendt bioteknologi. Forskerne opdagede faktisk den nye reguleringsmekanisme, fordi de forsøgte at konstruere bakterien E. coli til at producere eftertragtede isoprenoider, som kunne erstatte mange fossile brændstoffer, hvis de kunne produceres billigere.

Så, mens man konstruerer plantegener til E. coli for at forbedre isoprenoidproduktionen, forskerne blev opmærksomme på den plantebaserede reguleringsmekanisme. Da E. coli blev konstrueret med plantegener til et enzym kendt som HDR, de producerede to vigtige kemikalier i forskellige forhold, og dette påvirkede, hvor meget isopren der kunne produceres.

Denne åbenbaring er meget nyttig i anvendt bioteknologi, fordi isoprenoider kan omdannes til produkter som gummi. GoodYear har allerede produceret bildæk lavet af bio-produceret isopren. Desuden, resultaterne kunne også forbedre produktionen af ​​monoterpenisoprenoider, som er fremragende jetbrændstoffer, fordi de er meget energitætte.

"Dette er særligt interessant ud fra et bæredygtighedsperspektiv, fordi det ikke forventes, at fly kan få brændstof fra andet end flydende brændstof, i modsætning til landtransport, som kunne være elektrisk, " hun siger.

Endelig, isoprenoider bruges også som smags- og duftstoffer i parfume og kosmetik, og de er meget vigtige som aktiv forbindelse i nogle lægemidler, for eksempel det malariamiddel artemisinin eller taxadien, hvoraf kræftlægemidlet Taxol er fremstillet.

I dag, de fleste laboratorier og biotekvirksomheder, der fremstiller isoprenoider, bruger en vej fra gær, da de opnåede udbytter har været meget højere end med E.coli. Men den vej, der bruges af E. coli og planter, har et højere teoretisk udbytte, hvilket betyder, at flere isoprenoider teoretisk kunne fremstilles af de samme mængder sukker i E.coli end i gær. Derfor, at forsøge at optimere E.coli til isoprenoidproduktion giver god mening kommercielt.

Holdet sammenlignede otte forskellige plante-HDR-gener og et cyanobakterielt HDR-gen i E.coli. Det bedste resultat blev opnået med gener fra fersken, poppel og ricinusbønne. Da dette var et proof of concept, holdet producerede kun 2 mg isopren pr. liter cellebouillon. Men med yderligere bestræbelser på ingeniør- og fermenteringsoptimering, forskerne forventer at forbedre isoprenproduktionen i E. coli ved hjælp af dette system.

"Vi så, at valget af det rigtige planteenzym gjorde en stor forskel for isoprenproduktionen i E. coli. Så, Vores 'at lære af naturen' tilgang til, hvordan nogle planter blev så gode til at udsende isoprenoider, hjalp os virkelig med at designe mere effektive cellefabrikker, " slutter hun.