3D-Modelle von Struktur und Ligningehalt in Pflanzen-Zellwänden ermöglichen bessere Nutzung des nachwachsenden Rohstoffs als umweltfreundlichen Treibstoff

3D-Struktur einer Zelle

Livermore (USA) - Treibstoff aus der Biomasse von Pflanzen wird umso hochwertiger, je besser sich deren Zellwände in ihre Bestandteile zerlegen lassen. Anders als bei Biotreibstoffen der ersten Stunde, bei denen nur die ölhaltigen Pflanzensamen - etwa von Raps - zum Einsatz kamen, lassen sich heute auch Zellulose und Lignin aus den Zellen und damit die gesamte Pflanze nutzen. Also griffen US-Physiker jetzt zu verschiedenen Bildgebungstechniken, um die innere Struktur von Blättern bis hinunter zum Nanometer-Maßstab zu betrachten. Mit ihrem dreidimensionalen Strukturmodell schließen sie Wissenslücken zur Feinstruktur von Pflanzenzellen, berichten sie im Fachblatt "Plant Physiology". Zudem legen sie die Grundlage für neue Ansätze, Biomasse zu Flüssigtreibstoffen umzuwandeln - etwa mithilfe von Enzymen oder Mikroben.

"Die Grundidee ist, dass Zellulose ein Zuckerpolymer ist, das sich - über Enzyme freigesetzt - zu Alkoholen und anderen chemischen Substanzen wandeln lässt, die in alternativer Treibstoffproduktion genutzt werden", erklärt Michael Thelen vom Lawrence Livermore National Laboratory, "doch damit das effizient geschehen kann, müssen wir Wege finden, zu sehen, wie sich dies in unterschiedlichen Größenmaßstäben abspielt". Gemeinsam mit Kollegen vom Lawrence Berkeley National Lab und dem National Renewable Energy Laboratory untersuchte Thelens Team die Blätter von Zinnien (Zinnia elegans), einer Blütenpflanze, die vor allem als einjähriger Gartenschmuck bekannt ist. Nacheinander griffen die Forscher zu Rasterkraftmikroskopie (AFM), zu Fourier-Transform-Infrarot-Spektromikroskopie auf Basis von Synchrotronstrahlung sowie zu Fluoreszenzmikroskopie in Kombination mit der chemischen Zerlegung von Zellwandkomponenten. Auf diese Weise analysierten und visualisierten sie die einzelnen Zellen bis zu Details im Nanometermaßstab. Substrukturen der Zellen, die Feinheiten des Zellwandaufbaus und die chemische Zusammensetzung der dortigen Zellen machten sie sichtbar. Obendrein zeigte sich, dass die Zinnienzellen große Mengen an Lignozellulose enthalten.

Interessant für die Forscher waren die so genannten röhrenförmigen Xylem-Zellen, die in einer Pflanze das Leitgewebe bilden, für den Wassertransport von Wurzel zu Blättern zuständig sind und den Großteil an Zellulose und Lignin beherbergen. Kombiniert als Lignozellulose - das hydrophobe Lignin liefert der kristallinen Zellulose eine Schutzhülle - lagern sich die Moleküle in die Zellwände ein und sorgen dort für Stabilität und Struktur. Sie sind sehr wasserunlöslich, mechanisch kaum zu brechen und resistent gegenüber verbreiteten Chemikalien.

Entsprechend kann eine genauere Kenntnis des inneren Zellwandaufbaus dabei helfen, sie aufzubrechen. Die Forscher entwickelten anhand ihrer Bilder ein feinstrukturiertes 3D-Modell der Zinnienzellen. Mit solcher Kenntnis lassen sich die Rohstoffe für die Treibstoffproduktion besser herauslösen, erklärt Catherine Lacayo, Doktorandin und Hauptautorin der Arbeit: "Der Bildgebungsansatz wird nützlich sein, die Reaktion des Pflanzenmaterials auf verschiedene chemische und Enzym-Behandlungen einzuordnen, und könnte die derzeitigen Anstrengungen in punkto Lignozellulose-Biotreibstoff-Produktion beschleunigen".