Auf- und Abbau pflanzlicher Zellwände – warum sollte uns das interessieren?

 

In einem aufschlussreichen früheren Planter's Punch haben Thomas Perrot und Niklas Jung bereits beleuchtet, dass wir Hefen nutzen, um Zucker der pflanzlichen Zellwand, sogenannte Polysaccharide, herzustellen. Dieser Ansatz dient nicht nur dazu, diese Polysaccharide für spannende industrielle Anwendungen zu produzieren und optimieren, sondern auch dazu, neue Einblicke in die Grundlagen ihrer Synthese in der Pflanze zu erhalten. Aber warum sollten wir uns überhaupt für die pflanzliche Zellwand und ihre einzelnen Komponenten interessieren?

Pflanzen stellen mit geschätzten 450 Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gigatonnen, Gt C) den Hauptteil der natürlichen Biomasse auf unserem Planeten (Abb.1). Im Gegensatz dazu wird die Biomasse aller Menschen auf 0,06 Gt C geschätzt. Somit existieren auf der Erde für jeden Menschen, zum Beispiel für Sie als Leser*in dieses Texts, Pflanzen mit der 7500-fachen Biomasse. Im Vergleich zu allen anderen Gruppen von Lebewesen wie Bakterien, Pilzen und Tieren stellen Pflanzen über 80 % der Biomasse.

 

 

Der Hauptteil (geschätzt ~ 70 %) dieser beeindruckend hohen pflanzlichen Biomasse liegt in der Form von pflanzlichen Zellwänden vor, komplexen Strukturen die pflanzliche Zellen umgeben. Daher stellen pflanzliche Zellwände den dominierenden Teil der natürlichen Biomasse auf unserem Planeten dar. Aufgrund des hohen Umsatzes pflanzlicher Biomasse, z. B. durch saisonales Wachstum, werden jährlich etwa 120 bis 170 Milliarden Tonnen pflanzlicher Zellwände produziert. Zum Vergleich: Die weltweite Produktion aller Chemikalien (ohne Pharmazeutika) belief sich 2011 auf "nur" 1,2 Milliarden Tonnen. Diese Zahlen sind zwar erstaunlich, aber nur ein kleiner Teil dieser erneuerbaren Ressource wird derzeit von uns Menschen genutzt. Das liegt an der Architektur der pflanzlichen Zellwand, die auf ihre biologische Funktion zurückzuführen ist. Als äußere Begrenzung der Pflanzenzelle sorgt die Zellwand für Stabilität und Festigkeit. Diese Widerstandsfähigkeit pflanzlicher Zellwände ist ein großer Vorteil für die Pflanze, denn sie ermöglicht es ihr, umweltbedingten und biologischen Belastungen stand zu halten, z. B. dem Abbau durch Pilze oder Bakterien. Eben diese strukturelle Integrität macht es jedoch schwierig, pflanzliche Zellwände zu nutzen, was angesichts ihres gewaltigen Vorkommens und ihres Potenzials als erneuerbare Ressource schade ist.

Eine der größten Herausforderungen, vor denen die Menschheit heute steht, ist der anthropogene (vom Menschen verursachte) Klimawandel. Einen wesentlichen Einfluss darauf hat der Ausstoß von Treibhausgasen, z. B. Kohlendioxid (CO2). Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung von Wärme, Strom oder für den Transport ist eine der Hauptquellen für die vom Menschen verursachten CO2-Emissionen. Schaut man sich die alarmierenden CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre in den letzten Jahrhunderten angesehen haben, sind Ihnen wahrscheinlich jährliche Schwankungen aufgefallen. Dies ist auf die Wachstumsperiode von Pflanzen auf der Nordhalbkugel im Frühling und Sommer zurückzuführen. Die Kohlenstoffaufnahme nimmt aufgrund der höheren Photosyntheseaktivität zu, was den Einfluss der Pflanzen auf den atmosphärischen CO2-Gehalt unterstreicht.

Biokraftstoffe sind eine interessante Alternative zu fossilen Kraftstoffen, da sie aus pflanzlicher Biomasse gewonnen werden, die Kohlenstoff aus der Atmosphäre gebunden hat. Dies stellt ein geschlossenes, erneuerbares System dar, das nicht wie bei fossilen Ressourcen auf die Gewinnung endlicher, Millionen Jahre alter, zersetzter Biomasse angewiesen ist (Abb. 2).

 

 

Wie bereits erwähnt, wird der größte Teil des von der Pflanze aufgenommenen und verstoffwechselten Kohlenstoffs in der Zellwand, der wichtigsten Kohlenstoffsenke, gespeichert. Leider haben wir bereits festgestellt, dass die Zellwand aufgrund ihrer hohen strukturellen Integrität nur schwer aufzubrechen ist. Zur Gewinnung von Zuckern, die von Mikroorganismen zur Herstellung von Biokraftstoffen vergoren werden können, sind Chemikalien, Wärme und spezielle enzymatische Behandlungen erforderlich. Dieser Energieaufwand macht die Erzeugung von Biokraftstoffen zu einem kostenintensiven Prozess, der oft nicht mit der herkömmlichen Produktion fossiler Brennstoffe konkurrieren kann.

Um diese Hürde zu überwinden, müsste die Pflanzenzellwand leichter abbaubar sein. Mögliche Mechanismen zur Erreichung dieses Ziels umfassen verschiedene quantitative oder qualitative Maßnahmen (Abb. 3). Quantitativ könnte der Gesamtgehalt an Zuckern der pflanzlichen Zellwand erhöht werden, um mehr Biomasse auf gleicher Anbaufläche zu erhalten und so den Prozess effizienter zu gestalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Anteil der leicht vergärbaren Zellwandbestandteile zu erhöhen oder umgekehrt den Anteil der schwer vergärbaren Bestandteile zu vermindern. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine bestimmte Klasse von Zellwandbestandteilen zu entfernen oder zu verringern, die die oben erwähnte intensive chemische Vorbehandlung erfordern. Ein Zusammenspiel der genannten Methoden könnte dazu führen, dass Pflanzen leichter für die Biokraftstoffproduktion genutzt werden können, um fossile Kraftstoffe kosteneffizient zu ersetzen.

 

 

 

Um Pflanzen zu züchten, die diese Voraussetzungen haben, ohne in ihrem Wachstum oder ihrer Überlebensfähigkeit eingeschränkt zu sein, müssen wir erst verstehen, welche Faktoren den Auf- und Abbau der pflanzlichen Zellwand beeinflussen und welche Faktoren mindestens für eine voll funktionale Zellwand notwendig sind. Deswegen nutzen wir im Rahmen von CEPLAS sowohl den eingangs erwähnten Ansatz synthetischer Biologie mittels Hefen sowie verschiedene genetische Ansätze, um den Aufbau pflanzlicher Zellwände und den Einbau von Kohlenstoff in diese zu verstehen. In Zukunft können die dadurch gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, kontrolliert Pflanzen mit bestimmten Eigenschaften zu züchten, um kommerziell kompetitiven Biokraftstoff zu gewinnen und fossile Brennstoffe zu ersetzen.

 

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS-Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc-Programms erstellt.

Über den Autor

Niklas Gawenda ist Doktorand in der Gruppe von Prof. Markus Pauly am Institut für pflanzliche Zellbiologie und Biotechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Seine Forschung konzentriert sich darauf, neue Erkenntnisse über die Biosynthese bestimmter pflanzlicher Zellwandbestandteile zu gewinnen. Dafür wird beispielweise ein synthetisch biologischer Ansatz genutzt, bei dem diese Bestandteile in Hefe hergestellt werden.

Zum Nachlesen

Voiniciuc, C., Dama, M., Gawenda, N., Stritt, F., Pauly, M. (2019). Mechanistic insights from plant heteromannan synthesis in yeast. PNAS, 116(2), 522-527. doi.org/10.1073/pnas.1814003116.

Pauly, M.,Gawenda, N., Wagner, C., Fischbach, P., Ramírez, V., Axmann, I. M., & Voiniciuc, C. (2019). The Suitability of Orthogonal Hosts to Study Plant Cell Wall Biosynthesis. Plants, 8(11), 516. doi.org/10.3390/plants8110516.

Bar-On Y.M., Phillips R., Milo R. (2018) The biomass distribution on Earth. Proc Natl Acad Sci U S A. doi: 10.1073/pnas.1711842115

Loqué D., Scheller H. V., Pauly M. (2015) Engineering of plant cell walls for enhanced biofuel production. Curr Opin Plant Biol. doi: 10.1016/j.pbi.2015.05.018

Pauly M., Keegstra K. (2008) Cell-wall carbohydrates and their modification as a resource for biofuels. Plant J 54: 559–568. doi.org/10.1111/j.1365-313X.2008.03463.x

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich