Met het blote oog kun je ze niet zien, maar de meeste planten stoten vluchtige gassen uit - isoprenoïden - in de atmosfeer wanneer ze ademen en groeien. Sommige planten stoten bijna niets uit; anderen stoten jaarlijks kilo's uit.

Waarom is de emissie van isoprenoïden bij planten interessant? We zullen, isoprenoïden dragen enorm bij aan de hoeveelheden koolwaterstoffen die vrijkomen in de atmosfeer, waar ze kunnen worden omgezet in krachtige broeikasgassen, klimaatverandering beïnvloeden. Werkelijk, naar schatting zijn isoprenoïden met een korte keten verantwoordelijk voor meer dan 80% van alle vluchtige organische stoffen die door alle levende organismen worden uitgestoten, in totaal ongeveer 650 miljoen ton koolstof per jaar.

"We hebben een nieuwe manier ontdekt waarop planten regelen hoeveel vluchtige isoprenoïden ze in de atmosfeer uitstoten, die lang onbekend was. Sommige planten stoten veel uit, terwijl zeer vergelijkbare soorten ze helemaal niet uitstoten. Dit is interessant vanuit het oogpunt van fundamenteel onderzoek om deze emissies beter te begrijpen en hoe het kweken van verschillende planten de koolstofcyclus en broeikasgassen kan beïnvloeden, ", zegt de eerste auteur achter een nieuwe studie die onlangs is gepubliceerd in eLife , Senior onderzoeker Mareike Bongers van The Novo Nordisk Foundation Centre for Biosustainability en Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology, De universiteit van Queensland.

Gewassen die veel isopreen uitstoten zijn, bijvoorbeeld, palmolie bomen; spar, die wordt gekweekt voor hout; en espbomen, die worden verbouwd voor hout en biobrandstof. Met deze kennis, boeren zouden in principe bosgrond en landbouwgebied kunnen optimaliseren door minder hoge-emitter-planten en meer zero-emitter-planten aan te planten.

"Het moet gezegd worden, Hoewel, dat we niet zeker weten of alle effecten van deze emissies slecht zijn, daar is meer onderzoek naar nodig. Maar wat wel duidelijk is, is dat veel van de schadelijke effecten van isoprenoïde-emissies optreden wanneer ze reageren met gewone luchtverontreinigende stoffen, die van invloed zijn op de vorming van broeikasgassen en de luchtkwaliteit. Daarom, grote plantages met hoge emissies zijn bijzonder hinderlijk in de buurt van industriële of gemeentelijke luchtverontreiniging. Dus, het verminderen van vervuiling is een andere manier om het probleem aan te pakken, ’ zegt Mareike Bongers.

De onderzoekers achter dit onderzoek onderzoeken nu de mogelijkheid om deze nieuwe kennis toe te passen in toegepaste biotech. De onderzoekers ontdekten eigenlijk het nieuwe regelmechanisme, omdat ze probeerden de bacterie E. coli te manipuleren om gewilde isoprenoïden te produceren, die veel fossiele brandstofchemicaliën zouden kunnen vervangen als ze goedkoper zouden kunnen worden geproduceerd.

Dus, terwijl plantengenen in E. coli worden gemanipuleerd om de productie van isoprenoïden te verbeteren, de onderzoekers werden zich bewust van het plantaardige regelmechanisme. Toen E. coli werd ontwikkeld met plantengenen voor een enzym dat bekend staat als HDR, ze produceerden twee belangrijke chemicaliën in verschillende verhoudingen, en dit beïnvloedde hoeveel isopreen kon worden geproduceerd.

Deze onthulling is zeer nuttig in toegepaste biotech, omdat isoprenoïden kunnen worden omgezet in producten zoals rubber. GoodYear heeft al autobanden gemaakt van biogeproduceerd isopreen. Verder, de bevindingen zouden ook de productie van monoterpene isoprenoïden kunnen verbeteren, die uitstekende vliegtuigbrandstoffen zijn omdat ze zeer energierijk zijn.

"Dit is vooral interessant vanuit het oogpunt van duurzaamheid, omdat niet wordt verwacht dat vliegtuigen kunnen worden gevoed met iets anders dan vloeibare brandstoffen, in tegenstelling tot vervoer over land, die elektrisch zou kunnen zijn, " ze zegt.

Eindelijk, isoprenoïden worden ook gebruikt als smaak- en geurstoffen in parfums en cosmetica, en ze zijn erg belangrijk als actieve stof in sommige medicijnen, bijvoorbeeld het antimalariamiddel artemisinine of taxadieen, waaruit het kankermedicijn Taxol is gemaakt.

Vandaag, de meeste laboratoria en biotechbedrijven die isoprenoïden maken, gebruiken een route van gist, aangezien de behaalde opbrengsten veel hoger waren dan bij E.coli. Maar de route die door E. coli en planten wordt gebruikt, heeft een hogere theoretische opbrengst, wat betekent dat er theoretisch meer isoprenoïden kunnen worden gemaakt van dezelfde hoeveelheden suiker in E.coli dan in gist. Daarom, proberen om E.coli te optimaliseren voor de productie van isoprenoïden is commercieel logisch.

Het team vergeleek acht verschillende HDR-genen van planten en één cyanobacterieel HDR-gen in E.coli. Het beste resultaat werd behaald met genen van perzik, populier en ricinus. Aangezien dit een proof of concept was, het team produceerde slechts 2 mg isopreen per liter celbouillon. Maar met verdere inspanningen op het gebied van engineering en fermentatie, met dit systeem verwachten de onderzoekers de isopreenproductie in E. coli te verbeteren.

"We zagen dat het kiezen van het juiste plantenenzym een ​​groot verschil maakte voor de productie van isopreen in E. coli. Dus, onze 'leren van de natuur'-benadering over hoe sommige planten zo goed werden in het uitstoten van isoprenoïden heeft ons echt geholpen om efficiëntere celfabrieken te ontwerpen, " besluit ze.