Ist die altmodische Photosynthese der Aufgabe gewachsen, die enorme Menge an Kohlenstoff ungefähr 36 Milliarden Tonnen pro Jahr, die wir in die Atmosphäre pumpen, zu bewältigen?
Ein Biotechnologie-Startup in Kalifornien glaubt das nicht.
Deshalb Forscher von Living Carbon haben hart gearbeitet Manipulation von Baum-DNA, um eine neue Baumart zu schaffen, die atmosphärischen Kohlenstoff effektiver einfängt und ihn für eine sehr, sehr lange Zeit festhält. Und sie haben große Fortschritte gemacht.
Yumin Tao, Vizepräsident für Biotechnologie des Unternehmens, leitet das Team, das herausgefunden hat, wie das Hinzufügen einiger Gene aus Kürbissen und Grünalgen die Photosynthese beschleunigen und die Menge an Kohlenstoff, die ein künstlicher Baum in seinem Gewebe speichern kann, erheblich erhöht. IE setzte sich mit Tao zusammen, um zu besprechen, was sein Team erreicht hat und wie es – vielleicht – helfen könnte, eine der größten Herausforderungen unseres Planeten zu lösen.
Dieses Interview wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.
IE: Was versucht das Wissenschaftsteam von Living Carbon?
Yumin Tao:Unsere Mission ist es wirklich, mithilfe modernster Pflanzenbiotechnologie eine Lösung für den Klimawandel zu finden, die auf einer Form der Natur basiert.
Wir verwenden alle Arten von Werkzeugen, um die Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphäre zu verbessern und den Kohlenstoff in Form von Pflanzen zu binden oder zu fixieren. Wir verlängern auch die Lebensdauer des gebundenen Kohlenstoffs, damit er nicht wieder in die Atmosphäre gelangtso früh oder so oft wie sonst.
Wie baut man Bäume so, dass sie mehr Kohlenstoff aufnehmen?
Auf globaler Ebene haben Bäume bereits eine fantastische Arbeit geleistet, indem sie der Menschheit geholfen haben, Kohlenstoff zu reduzieren. Bei der Photosynthese wird Kohlenstoff in Zucker und Nährstoffe umgewandelt, die von im Wesentlichen allen lebenden Organismen nachgeschaltet werden können.
Die biochemische Grundlage der Photosynthese hängt von einem zentralen Enzym namens RuBisCo ab. RuBisCo nimmt im Wesentlichen Kohlendioxid aus der Luft auf, fixiert es und wandelt es in alle Biomoleküle um. RuBisCo nimmt jedoch auch Sauerstoff anstelle von CO2 in einer Reaktion namens Oxygenierung aufdas ein giftiges Nebenprodukt namens Glykolat produziert.
Wie beeinflusst das die Fähigkeit eines Baumes, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu ziehen und in seinem Gewebe zu speichern?
Pflanzenzellen müssen einen energieintensiven und komplizierten Prozess namens Photorespiration durchlaufen, um diese Verbindungen abzubauen. Dies verschwendet nicht nur Energie, sondern verliert auch viel gebundenen Kohlenstoff in Form von CO2, das wieder in die Luft abgegeben wird. Es ist averschwenderischer Prozess, den viele Pflanzen machen.
Das Hauptaugenmerk beim Kohlenstoffabbau liegt wirklich auf dem Versuch, dieses Problem anzugehen, indem versucht wird, die Photorespiration in Pflanzen zu reduzieren oder zu hemmen oder zu verhindern. Deshalb lenken wir diese Energie in das Pflanzenwachstum.
Wie machst du das?
Wir haben eine zweiteilige Technologie entwickelt. Der erste Teil verwendet eine Technologie, die wir RNAi [RNA-Interferenz] nennen. Sie kann die Expression eines Glykoltransporters hemmen, der normalerweise Glykolat zur Photorespiration aus dem Chloroplasten sendet.
Der zweite Teil ist TK. Wir wollen eine TK für Enzyme im Chloroplasten entwickeln, die dann Glykolat im Chloroplasten verbrauchen oder wieder in CO2 umwandeln können. Durch die Verwendung einer Kombination dieser beiden Ansätze sind wir in der Lage, die Photorespiration zu reduzieren.
Wie wirkt sich die Reduzierung der Photorespiration auf den Baum aus? Beeinflusst sie die langfristige Kohlenstoffspeicherung?
Diese Strategie produziert mehr Biomasse in den Bäumen. Sie gibt Ihnen mehr Bauholz, aber es erhöht nicht die Haltbarkeit oder verlängert die Lebensdauer des Kohlenstoffs in seiner festen Form. Wir sind stark an einer Reihe von Forschungsprojekten beteiligt, um dies zu findeneine Lösung, um diesen fixierten Kohlenstoff länger in Pflanzen zu halten. Ich kann noch nicht zu viel über diese Projekte sprechen.
Warum verwenden Sie Gentechnik anstelle traditioneller Züchtungsmethoden, um diese Bäume zu schaffen?
Traditionelle Züchtungsmethoden waren aufgrund einer Reihe von Faktoren eine große Herausforderung in der Forstwirtschaft. Erstens ist der Lebenszyklus von Bäumen im Vergleich zu landwirtschaftlichen Nutzpflanzen sehr lang. Normalerweise dauert es mehr als 10 Jahre, bis ein Baum fertig istblühen und für die Zucht bereit sein. Der nächste Zyklus dauert weitere 10 Jahre oder länger.
Zweitens, selbst wenn Sie züchten können, ist die Verbesserung sehr begrenzt. Eine Produktivitätssteigerung von einem Prozent zu erzielen, ist enorm.
In den Experimenten, die wir durchgeführt haben – natürlich waren es Gewächshausexperimente – haben wir eine Steigerung der Biomasse um mehr als 50 Prozent gezeigt, was mit traditioneller Züchtung wahrscheinlich undenkbar ist.
Reden wir über dieses Experiment. Sie und mehrere Kollegen hat das Papier geteilt, das noch nicht von Experten begutachtet wurde, mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Februar. An welcher Baumart haben Sie gearbeitet und warum?
Pappelbäume. Das in diesem Artikel beschriebene Experiment dient als Proof of Concept für die zweiteilige Technologie. Wir wollten eine Baumart verwenden, die mit vorhandener Technologie einfach zu handhaben ist und die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft bereits gut verstanden wird.
Die Pappel ist eine Modellart für Bäume, und deshalb haben wir uns entschieden, zuerst mit ihr zu arbeiten.
Was ist der Unterschied zwischen Ihren Bäumen und normalen Pappeln?
Der Baum, den wir geschaffen haben, hat eine RNAi, die darauf ausgelegt ist, auf die Glykolattransporter abzuzielen und TK, einen Zwei-Enzym-Shunt-Weg, zurückzuentwickeln. Das ist also der einzige Unterschied zwischen diesem und dem nicht manipulierten Pappelbaum.
Was hast du aus dem Experiment gelernt?
Zuerst wollten wir wissen, ob unser Design erfolgreich war. Verringert die Technologie die Expression von Glykolattransportern in der Pappel? Wir fanden heraus, dass sie wie ein Zauber funktioniert. Wir sahen die Verringerung von Glykolattransportern im künstlichen Baum.
Wir haben auch Daten, die zeigen, dass der Shunt-Pfad, den wir im Baum konstruiert haben, auch auf einem Niveau innerhalb des gewünschten Bereichs exprimiert.
Bedeutet das, dass Living Carbon zuverlässig Bäume erzeugen kann, die 50 Prozent mehr Kohlenstoff aus der Luft saugen?
Nein. Für jede Art von Ingenieurstechnologie gibt es eine Menge Komplexität. Zum Beispiel, wo diese Gene eingefügt werden? Stören sie den natürlichen Stoffwechselfluss?
Wir haben diese durch eine Reihe von Experimenten geführt. Wir haben Photosynthese-Messinstrumente verwendet, um zu messen, ob die Bäume Photosynthese mit einer erhöhten Rate durchführen. Einige Bäume, die im Wesentlichen die gleichen genetischen Elemente enthalten, haben unterschiedliche Photosyntheseraten, nur aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Genen, diewir setzen und die Gene ein, die natürlicherweise in den Pflanzen vorkommen. Sie geben Ihnen eine andere Anzeige.
Wir haben einen Auswahlprozess durchlaufen und schließlich eine Reihe von Pflanzen entdeckt, die die gewünschte Veränderung auf molekularer Ebene und auch auf physiologischer Ebene zeigen. Sie zeigten eine verbesserte Photosynthese. Schließlich werden sie mehr Biomasse in ihren Stängeln und Blättern ansammeln. Einige zeigten sogar eine Verbesserung der Wurzeln. Wir waren mehr als glücklich, all diese Ergebnisse zu sehen.
Führen Sie Tests in der natürlichen Umgebung durch?
Wir möchten sicherstellen, dass die Leistung, die wir in der Gewächshausumgebung beobachten, auch im Feld anhält. Um dies zu erreichen, haben wir mit der Oregon State University zusammengearbeitet, um einen Feldtest unserer Bäume durchzuführen. Als unabhängiger Dritter agierend,Die Forscher des Bundesstaates Oregon werden die Tests durchführen. Welche Ergebnisse sie auch immer finden, sie werden wirklich, wirklich informativ und nützlich sein.
Was ist der Zeitplan für dieses Experiment?
Unsere Bäume wurden dort letzten Juli gepflanzt, sie wachsen also seit weniger als einem Jahr. Die Bäume sehen jetzt gut aus.
Es scheint eine Herausforderung zu sein, die Langzeitwirkung Ihrer Technologie auf Bäume zu untersuchen, da sie so lange leben. Werden diese Bäume in 10, 50 und 100 Jahren die erwartete Leistung erbringen?
Ja, wir können unsere Bäume nicht in 100 Jahren bewerten. Wir arbeiten mit Waldbauern zusammen, um unsere Bäume auf ihrem Land zu pflanzen. Einige dieser Geschäfte sind bereits abgeschlossen.
Der Feldversuch mit der Oregon State University ist relativ kurz. Es wird ein vierjähriger Versuch sein. Der Feldversuch mit den Bauern wird viel länger dauern.
Sind Sie besorgt über die Auswirkungen, die diese Bäume auf das Waldökosystem haben könnten? Werden sie neue Auswirkungen auf andere Pflanzen, Tiere oder Pilze haben?
Angesichts der Änderungen, die wir an den Bäumen vorgenommen haben, und des bisherigen Wissens, das von der größeren wissenschaftlichen Gemeinschaft darüber angesammelt wurde, was gentechnisch veränderte Pflanzen dem gesamten Ökosystem antun, sehen wir wirklich kein großes Risiko, mit dem wir uns jetzt befassen müssen.
Natürlich wurden unsere Bäume noch nicht in der Umgebung gepflanzt, daher kann es einige Unbekannte geben. Aber im Moment können wir uns keine vorstellen.
Die Anfälligkeit für Pilzinfektionen ist etwas, für das wir tatsächlich versuchen, eine Lösung zu finden, um es zu verbessern. Wir hoffen, dass wir diese Art von Daten bald haben werden.
Viele Menschen haben ihre Besorgnis darüber geäußert, dass gentechnisch veränderte Bäume in die Wildnis entlassen werden. Wie können Sie sicher sein, dass Living Carbon-Bäume nicht zu schwerwiegenden unbeabsichtigten Folgen führen?
Wir wollen nichts schaffen, was im Hinblick auf das gesamte Ökosystem kontraproduktiv ist. Wir wollen tatsächlich dazu beitragen, das aktuelle Ökosystem zu erhalten.
Wir wollen wirklich eine natürliche Lösung für den Klimawandel bieten, nicht etwas Künstliches und Eigenständiges, das nur zu unserem eigenen menschlichen Nutzen ist. Die Lösung, die wir anbieten, kommt wirklich dem gesamten Ökosystem zugute.
Wir glauben, dass die von uns geschaffenen Bäume keine nachteiligen Auswirkungen auf das Ökosystem haben werden, einfach weil die von uns entwickelte Eigenschaft im Wesentlichen nur darin besteht, Energie von der Sonne zu sammeln. Wir konkurrieren nicht mit Tieren im Wald. Wenn uns das gelingtWenn Sie diese pilzresistente Eigenschaft schaffen, können Sie argumentieren: „Hey, Sie haben eine Nahrungsquelle für Pilze verhindert.“ Aber es gibt viele Pflanzen im Wald, die eine Nahrungsquelle für Pilze darstellen können, also sehen wir das wirklich nicht als eineProblem. Ich kann mir keine Welt vorstellen, die nur mit durch Photosynthese verbesserten Bäumen von Living Carbon bepflanzt ist. Das ist nicht das Endziel für uns.
Was ist Ihr ehrgeizigstes Ziel in Bezug auf die Maximierung der Kohlenstoffmenge, die in einem Baum gespeichert werden kann? Gibt es eine biologische Grenze?
Das ist das längerfristige Ziel, das wir bei Living Carbon zu erreichen versuchen. Wir wollen den Kohlenstoffabbau erhöhen und den Kohlenstoff länger gebunden halten, hoffentlich in einer dauerhaften Form, die überhaupt nicht in die Umwelt zurückgeht.Also testen wir aktiv Ideen in diesem Sinne, um eine Lösung für die dauerhafte Kohlenstoffspeicherung bereitzustellen. Wir erforschen aktiv Ideen und Konzepte, und das ist ein langfristiges Ziel für das Unternehmen.
Anmerkung der Redaktion: Dies ist ein Teil unserer Serie PLANET LÖSER, wo IEerforscht Klimaherausforderungen, Lösungen und diejenigen, die den Weg weisen werden.
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