Mit CRISPR bearbeitete Bäume reduzieren den Energie- und Wasseraufwand für die Papierherstellung

Der Einsatz von CRISPR zur genetischen Bearbeitung von Bäumen könnte den Energie-Fußabdruck der Papierindustrie drastisch reduzieren.

Die Herstellung von Papier sei sowohl energie- als auch wasserintensiv, heißt es Jack Wang an der North Carolina State University. Im Jahr 2021, Der globale CO2-Fußabdruck der Branche wurde auf 190 Millionen Tonnen geschätzt – eine Zahl, die voraussichtlich bis 2030 steigen wird, wenn die Papierproduktion voraussichtlich ihren Höhepunkt erreicht.

Einer der größten Energiefresser im Papierherstellungsprozess sei die Entfernung des Polymers Lignin aus Holz, sagt Wang. In der Holzstruktur ist Lignin mit Zellulose verbunden, dem Molekül, aus dem Papier besteht. Die Trennung der beiden erfordert hohe Temperaturen und Drücke sowie viel Wasser, sagt Wang. Lignin trägt aber auch „zur Struktur, Integrität und Widerstandsfähigkeit von Bäumen bei“, heißt es Rodolphe Barrangou auch an der North Carolina State University.

Wang, Barrangou und ihre Kollegen fragten sich, ob sie Pappeln, die häufig zur Papierherstellung verwendet werden, genetisch so verändern könnten, dass sie eine geringere Ligninkonzentration aufweisen und gleichzeitig ihre Struktur beibehalten.

Dazu nutzten sie maschinelles Lernen, um das Genom der Pappel zu analysieren und Kombinationen von Genen hervorzuheben, die sie mit CRISPR bearbeiten konnten. Das Programm identifizierte 69.123 Möglichkeiten zur Bearbeitung von 21 Genen.

Die Forscher analysierten diese Daten, um zu ermitteln, welche Kombinationen die beste Chance hatten, den Ligningehalt eines Baumes zu reduzieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass er stark blieb. Sie fanden heraus, dass nur 0,5 pro Ein paar dieser Bearbeitungsmethoden sind genau das Richtige. Sie wählten sieben aus, die sie als besonders robust erachteten, und züchteten daraus 174 verschiedene Varianten von CRISPR-bearbeiteten Pappeln.

Nach sechs Monaten Wachstum stellte das Team fest, dass der Ligningehalt in den bearbeiteten Bäumen bis zu 49 Prozent niedriger war als in den unbearbeiteten Bäumen.

„In einer Zeit, in der der Klimawandel so wichtig ist, ist es sehr spannend, greifbare, potenzielle Lösungen für die Praxis zu finden, um die Kohlenstoffemissionen der Zellstoff- und Papierproduktion erheblich zu reduzieren“, sagt Wang.

Die Bäume wachsen seit etwa einem Jahr und zeigen keine größeren Beeinträchtigungen ihrer Struktur, sagt Barrangou. Die Forscher planen, mehrere davon in einem Wald zu pflanzen, um die langfristigen Auswirkungen der genetischen Bearbeitung zu untersuchen, und erforschen die Technik auch für andere Baumarten, die zur Papierherstellung verwendet werden.

„Dies könnte der Beginn einer ganz neuen Ära der nachhaltigen Forstwirtschaft sein“, sagt Barrangou. Wang sagt, er hoffe, dass diese Bäume in den 2040er Jahren großflächig kommerziell genutzt werden könnten.