Meer suikers uit populierenhout voor duurzamer papier en brandstof

Foto: Nette De Ridder

Klimaatverandering dwingt ons tot innovatieve oplossingen, en een van de veelbelovende strategieën is de genetische aanpassing van snelgroeiende bomen zoals populieren. Mijn onderzoek richt zich op het aanpassen van de celwand van populieren om meer suikers vrij te stellen, een heel belangrijke stap in de ontwikkeling van duurzame biobrandstoffen en biomaterialen.

Deze suikers zijn van belang omdat ze kunnen dienen als grondstoffen voor de productie van verschillende duurzame producten, zoals bouwblokken voor bio-plastics of bio-ethanol. Dat is een proces vergelijkbaar met de productie van wijn, waarbij suikers uit druiven worden gefermenteerd tot alcohol. Kortom: met meer suikers uit één boom kunnen we goedkopere biobrandstoffen produceren om te concurreren met fossiele brandstoffen.

Celwanden aanpassen in populieren

Het aanpassen van de celwand in planten, zoals populieren, is een complex proces. De celwand van planten is van groot belang omdat deze zorgt voor de stevigheid van de plant. Hij zorgt voor rechtopstaande groei, watertransport en bescherming tegen ziekteverwekkers. We kunnen de celwand dus niet zomaar aanpassen, we moeten ervoor zorgen dat de plant al deze levensbelangrijke functies blijft behouden. Tegelijkertijd proberen we ook de eigenschappen te verbeteren die belangrijk zijn voor het maken van biomaterialen. Dit is een heel delicate maar zeer belangrijke balans waar we in het labo veel belang aan hechten.

De plantencelwand is opgebouwd uit drie hoofdbouwstenen. De eerste bouwsteen is cellulose, een polymeer uit lineaire ketens van glucosemoleculen. Wist je dat cellulose het meest voorkomende organische polymeer op aarde is? Een tweede bouwsteen is hemicellulose, een groep van vertakte polymeren die in tegenstelling tot cellulose bestaat uit verschillende suikermonomeren zoals glucose, xylose, galactose en mannose. Lignine is de laatste bouwsteen en heeft een complexe aromatische structuur. Deze drie bouwstenen werken samen om ervoor te zorgen dat de plant goed kan groeien.

Hoe kunnen we meer suikers vrijstellen uit bomen?

In ons labo focussen we ons op de optimalisatie van lignine. Lignine is namelijk de grootste hindernis voor suikervrijstelling, omdat het als een fysieke barrière de suikerpolymeren beschermt. Lignine aanpassen is dan ook cruciaal om de vrijstelling van suikers uit cellulose en hemicellulose te vergemakkelijken. Maar dat is een uitdagende taak. Evolutie heeft lignine gevormd als een bescherming tegen aanvallen van buitenaf, een essentiële rol om planten te behoeden voor ziekteverwekkers die ook geïnteresseerd zijn in deze suikers.

De meest voor de hand liggende strategie om de efficiëntie van suikervrijstelling te verhogen, is de hoeveelheid lignine verminderen, maar dit botst soms op een ongewenst neveneffect: groeivermindering. Een alternatieve strategie binnen ons labo focust zich op de aanpassing van de ligninesamenstelling door de introductie van 'zwakke schakels'. Hierdoor kan lignine gemakkelijker worden afgebroken met minder chemicaliën, terwijl de natuurlijke functie voor de plant behouden blijft, waardoor de bomen normaal groeien. Dit vormt de focus van mijn huidige onderzoek.

Hoe kunnen we planten met verbeterde eigenschappen creëren? Mensen zijn al meer dan duizend jaar bezig met het selecteren en creëren van planten met gewenste kenmerken door variëteiten te kruisen. Sinds de ontdekking van DNA is dit alles in een stroomversnelling geraakt. Wetenschappers beschouwen DNA als een complexe partituur waarin genen als noten in een muziekstuk herschreven kunnen worden. Een opmerkelijke technologie van de afgelopen jaren is CRISPR-Cas, ook wel bekend als de genetische schaar. Hiermee kunnen wetenschappers specifieke locaties in het DNA aanpassen, Net zoals componisten noten in een muziekstuk toevoegen of verwijderen, of zelfs een stuk uit een ander muziekstuk kunnen inplakken.

De papierproductie is een voorbeeld van een industrie die cellulosevezels als basismateriaal gebruikt, met als doel zuivere cellulose te verkrijgen. Om aan deze cellulosevezels te geraken zijn er momenteel veel chemicaliën en hoge temperaturen nodig om lignine te verwijderen. Het aanpassen van lignine opent dus mogelijkheden om dit proces milieuvriendelijker te maken. Wanneer cellulose makkelijker beschikbaar is, kunnen we niet alleen de nood aan schadelijke chemicaliën verminderen, maar kan ook het productieproces vereenvoudigd en dus ook kost-efficiënter gemaakt worden.

Biobrandstoffen als groen alternatief

Traditionele brandstoffen, zoals benzine en diesel, zijn bekend om hun bijdrage aan luchtvervuiling en klimaatverandering. Deze fossiele brandstoffen worden gemaakt van organisch materiaal dat honderden miljoenen jaren oud is en vormen daarmee een eindige bron. Daarbovenop zorgt hun verbranding voor veel koolstofdioxide (CO₂) uitstoot. Fossiele grondstoffen kunnen ook geen CO₂ meer opnemen, wat leidt tot extra CO₂ in de lucht bij hun verbruik.

Biobrandstoffen daarentegen, kunnen gemaakt worden uit planten die nu groeien, zoals suikerriet, maïs, en zelfs bomen zoals populier. Planten nemen CO₂ op uit de atmosfeer en zetten die om in zuurstof en glucose, dit proces heet de fotosynthese. Dit resulteert in een gesloten kringloop, waarbij de CO₂-niveaus in evenwicht blijven. Wist je trouwens dat ongeveer dertig procent van de koolstofdioxide ontstaan door menselijke vervuiling, wordt geabsorbeerd door planten?

Ons lab zet zich in voor een gesloten bio-economie. Dat betekent dat we proberen de natuurlijke kringloop na te bootsen door planten te gebruiken als grondstof op een duurzame manier. Zo creëren we ook een beter evenwicht waarin de CO₂-uitstoot opnieuw kan worden opgenomen door groeiende planten. Onderzoek naar populieren en hun genetische aanpassingen om biobrandstoffen en milieuvriendelijker papier te maken, biedt een mogelijkheid om naar een duurzame bio-economie te werken.