Grundforskning baner vej for råstof til fremtidens industri - 16.07.2010

Stivelse fra planter bliver et af de vigtigste råstoffer i fremtidens biobaserede samfund, men det forudsætter stor indsigt i sammenhængen mellem stivelsens struktur og dens funktionelle egenskaber. Banebrydende grundforskning i organisk syntesekemi og molekylær modellering skaber det videnskabelige grundlag for at bruge stivelse som råstof i stedet for mineralolie.

Det er lykkedes forskere ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi at udvikle elegante metoder til kemisk syntese af små og veldefinerede fragmenter af stivelsesmolekyler i ren form. Analyse af disse molekylers struktur giver værdifuld ny viden om strukturen af de komplekse stivelsesmolekyler, som findes i f.eks. kartofler, ris, majs og hvede. Desuden er de små stivelsesfragmenter uvurderlige redskaber, når forskerne studerer de enzymer, som syntetiserer, omdanner eller nedbryder stivelse i planter, eller når de designer nye enzymer til brug i industrien.

    - Der er et stort og uudnyttet potentiale for anvendelse af stivelse til industrielle formål, men forudsætningen er, at der kan leveres et helt ensartet produkt som råstof, fortæller professor Birger Lindberg Møller og fortsætter:  

    - Selvom byggestenen, glukose, er et af de bedst undersøgte molekyler i naturen, ved vi forbavsende lidt om stivelsesmolekylernes struktur. Planters stivelse er en blanding af uforgrenede stivelsesmolekyler (amylose) og meget store forgrenede stivelsesmolekyler (amylopektin). Et enkelt stivelsesmolekyle kan bestå af flere millioner glukoseenheder, og både glukosekædernes længde, forgreningsgrad, fosforylering og foldning varierer. Der er uendeligt mange kombinationsmuligheder, så der findes næppe to identiske stivelsesmolekyler. Det er denne kompleksitet, der udgør en af de største udfordringer ved at bruge stivelse som råstof i stedet for fossile kulbrinter i industriel produktion.

 

Selvom det nu er muligt at fremstille ensartede stivelsesfragmenter i laboratoriet, er det ikke målet at erstatte biologisk produktion med kemi. Planter er fortsat de førende syntesekemikere. Frem for at konkurrere med dem er det målet at lære, hvordan planterne bruger deres enzymer til hurtig og energieffektiv produktion af komplekse stoffer.

 
Lektor Mohammed Saddik Motawia, som har stået i spidsen for det kemiske udviklingsarbejde, udtaler:

    - Det tager flere måneder at fremstille selv et lille fragment af et stivelsesmolekyle med kemiske metoder. At sætte 10 glukoseenheder sammen til et forgrenet molekyle kræver 34 syntesetrin, og for hvert trin, skal produktet oprenses.  Kemisk syntese af komplekse kulhydrater til industrielt brug er således helt urealistisk. En plante kan producere stivelse på et splitsekund ved hjælp af enzymer. Det skal vi lære af, og vi skal bruge denne viden til at udvikle et bio-baseret produktionssystem for specifikke stivelsesstrukturer, som har netop de funktionelle egenskaber, som industrien har brug for.

 

Lektor Mohammed Saddik Motawia fremstiller fragmenter af stivelse ved kemisk syntese.

 

Lektor Iben Damager har udviklet en del af de kemiske syntesemetoder under sit ph.d. studium ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi. Hun har også bidraget til de NMR spektroskopiske analyser og den molekylære modellering, som professor Søren Balling Engelsen fra Institut for Fødevarevidenskab har været ansvarlig for. Iben Damager forklarer:
 

    - De stivelsesmolekyler, som vi fremstiller ved kemisk syntese, svarer nøje til udsnit af planternes stivelsesmolekyler. Ved hjælp af NMR spektroskopiske analyser kan vi få en god ide om deres tredimensionale struktur, og dermed kan vi lave rumlige modeller af planternes stivelsesmolekyler og af deres interaktion med enzymer.

Lektor Andreas Blennow og de øvrige molekylærbiologiske forskere ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi er nået langt med at identificere enzymer, som kan syntetisere, omdanne eller nedbryde stivelse. Det giver bl.a. mulighed for at ændre forholdet mellem amylopektin og amylose i stivelsesafgrøder, men visionerne rækker videre.

 

    - I almindelig kartoffelstivelse er forholdet mellem amylopektin og amylose ca. 80:20, men i tekstil- og papirindustrien er der brug for ren amylopektin. Ved at nedregulere aktiviteten af et enkelt enzym kan vi forskyde biosyntesen af stivelse, så kartoflerne stort set kun danner amylopektin. Det er netop denne strategi, der har ført til udvikling af AmFlora kartoflen, som nu er godkendt til dyrkning og anvendelse i EU, siger Andreas Blennow og fortsætter:

    - Ved at bruge de små syntetiske stivelsesmolekyler som substrat, er det muligt at undersøge meget præcist, hvordan enzymer virker. Visionen er, at et stivelsesmolekyle med en specifik funktionalitet kan designes på tegnebrættet og fremstilles ved hjælp af enzymer. Der kan både benyttes enzymer, som er opstået som følge af levende organismer evolution, eller menneskeskabte enzymer, som vi har udviklet til formålet.  

 

Ph.d. studerende Shahnoor Sultana Shaik bruger bioteknologiske metoder til at ændre stivelseskompositionen i planter.

 

I dag bruges fossil olie som råstof til fremstilling af en lang række plastikprodukter, som anses for uundværlige. Nogle af disse plastikprodukter, f.eks. visse typer plastikemballage, kunne med fordel være biologisk nedbrydelige. Plastkomponenter til f.eks. computere og fly skal derimod være særdeles holdbare, men bør alligevel kunne recirkuleres i et bæredygtigt kredsløb eller som minimum kunne forbrændes, uden at der dannes miljøskadelige stoffer.

Stivelse har potentialet til at erstatte en stor del af den olie, som bruges som råstof i

plastindustrien, men der er lang vej igen, før der kan produceres store mængder helt ensartede stivelsesprodukter med netop de fysiske og kemiske egenskaber, som kræves.

 

Kombinationen af grundforskningsmæssige kompetencer indenfor så forskellige områder som organisk kemisk syntese, molekylær modellering og molekylærbiologi skaber det videnskabelige fundament for anvendt forskning med fokus på produktion af specifikke former for stivelse i stor skala.

Om fremtidens råstof vil blive produceret ved at genskabe planters enzymatiske reaktioner i en biofermentor, eller om der udvikles planter, som danner store mængder stivelse med en veldefineret funktionalitet, vil fremtiden vise. Men sikkert er det, at behovet for at erstatte fossile kulbrinter med bæredygtige råstoffer bliver mere og mere påtrængende.

 

Fakta om stivelse:
Der produceres mere en 3000 millioner tons stivelse om året på verdensplan. Kartofler, ris, hvede og majs er vigtige stivelsesholdige afgrøder, og stivelsen i disse basisfødevarer er den vigtigste kaloriekilde for jordens befolkning. Der oprenses årligt mere end 60 millioner tons ren stivelse fra planter. Heraf anvendes størstedelen som fødevareingrediens.

Stivelse anvendes i stigende grad som erstatning for fossile kulbrinter i industrien. Det bruges f.eks. til overfladebehandling af tekstiler og til fremstilling af lim, maling og glittet papir. Stivelse har også potentialet til at erstatte en stor del af den fossile olie, der i dag bruges som råstof i plastikindustrien. Til det formål kræves store mængder ensartet stivelse med veldefinerede funktionelle egenskaber.

 

Også i medicinalindustrien har stivelse et stort og uudnyttet potentiale. I dag bruges stivelse som fyldstof i tabletter, men ved at bruge stivelse med en nøje karakteriseret nedbrydningsprofil, er det muligt at styre frigivelsen af medikamentet i mavetarmkanalen, og dermed optimere effekten.

Finansiering:
Forskningen er finansieret via bevillinger fra Det Frie Forskningsråd | Teknologi og Produktion, Villum Kann Rasmussen Fonden og Ministeriet for Videnskab Teknologi og Udvikling samt Det Biovidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet.

Kontakt:
Stivelsesarbejdet udføres som et samarbejde mellem forskere ved Institut for Fødevarevidenskab og Institut for Plantebiologi og Bioteknologi.

For yderligere oplysninger, kontakt professor Birger Lindberg Møller (biosyntese i planter), Lektor Andreas Blennow (stivelse), lektor Mohammed Saddik Motawia (organisk syntesekemi) eller professor Søren Balling Engelsen (NMR spekstroskopi og molekylær modellering).

Reference:
De beskrevne forskningsresultater på stivelsesområdet er publiceret i det meget ansete tidsskrift Chemcial Reviews:

First Principles Insight into the α-Glucan Structures of Starch: Their Synthesis, Conformation, and Hydration, Chemical Reviews 110: 2049-2080 (2010) af Iben Damager¹, Søren Balling Engelsen², Andreas Blennow¹, Birger Lindberg Møller¹ og Mohammed Saddik Motawia¹.

¹Institut for Plantebiologi og Bioteknologi, ²Institut for Fødevarevidenskab.