Du kan inte se dem med blotta ögat, men de flesta växter avger flyktiga gaser – isoprenoider – till atmosfären när de andas och växer. Vissa växter avger nästan ingenting; andra släpper ut kilogram årligen.

Varför är isoprenoidutsläpp från växter intressanta? Väl, isoprenoider bidrar enormt till mängden kolväten som släpps ut i atmosfären, där de kan omvandlas till potenta växthusgaser, påverkar klimatförändringarna. Faktiskt, det har uppskattats att kortkedjiga isoprenoider står för mer än 80 % av alla flyktiga organiska föreningar som släpps ut från alla levande organismer, totalt cirka 650 miljoner ton kol per år.

"Vi upptäckte ett nytt sätt att växter reglerar hur mycket flyktiga isoprenoider de släpper ut i atmosfären, som länge varit okänt. Vissa växter släpper ut mycket, medan mycket liknande arter inte avger dem alls. Detta är intressant ur en grundforskningssynpunkt för att bättre förstå dessa utsläpp och hur odling av olika växter kan påverka kolkretsloppet och påverka växthusgaser, " säger förstaförfattaren bakom en ny studie som nyligen publicerades i eLife , Seniorforskare Mareike Bongers från Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability och Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology, University of Queensland.

Grödor som avger mycket isopren är, till exempel, palmoljeträd; gran, som odlas för timmer; och aspträd, som odlas för timmer och biobränsle. Med denna kunskap, bönder skulle i princip kunna optimera skogsmark och jordbruksareal genom att plantera färre högutsläppsväxter och fler nollutsläppare.

"Det ska sägas, fastän, att vi inte med säkerhet vet att alla effekter av dessa utsläpp är dåliga, det behövs mer forskning om det. Men vad som är tydligt är att många av de skadliga effekterna av isoprenoidutsläpp inträffar när de reagerar med vanliga luftföroreningar, vilket påverkar växthusgasbildningen och luftkvaliteten. Därför, stora plantager med höga utsläpp är särskilt besvärliga i närheten av industriella eller kommunala luftföroreningar. Så, att minska föroreningarna är ett annat sätt att ta itu med problemet, säger Mareike Bongers.

Forskarna bakom denna studie undersöker nu möjligheten att använda denna nya kunskap inom tillämpad bioteknik. Forskarna upptäckte faktiskt den nya regleringsmekanismen, eftersom de försökte konstruera bakterien E. coli för att producera eftertraktade isoprenoider, som skulle kunna ersätta många fossilbränslekemikalier om de kunde tillverkas billigare.

Så, medan man konstruerar växtgener till E. coli för att förbättra isoprenoidproduktionen, forskarna blev medvetna om den växtbaserade regleringsmekanismen. När E. coli konstruerades med växtgener för ett enzym som kallas HDR, de producerade två viktiga kemikalier i olika förhållanden, och detta påverkade hur mycket isopren som kunde produceras.

Denna uppenbarelse är mycket användbar inom tillämpad bioteknik, eftersom isoprenoider kan omvandlas till produkter som gummi. GoodYear har redan tillverkat bildäck gjorda av bioproducerat isopren. Vidare, fynden kan också förbättra produktionen av monoterpenisoprenoider, som är utmärkta jetbränslen eftersom de är mycket energitäta.

"Detta är särskilt intressant ur ett hållbarhetsperspektiv, eftersom det inte förväntas att flygplan kan drivas från något annat än flytande bränsle, i motsats till marktransporter, som kan vara elektrisk, " hon säger.

Till sist, isoprenoider används också som smak- och doftämnen i parfymer och kosmetika, och de är mycket viktiga som aktiv substans i vissa läkemedel, till exempel anti-malarialäkemedlet artemisinin eller taxadien, som cancerläkemedlet Taxol är tillverkat av.

I dag, de flesta laboratorier och bioteknikföretag som tillverkar isoprenoider använder en väg från jäst, eftersom de uppnådda skördarna har varit mycket högre än med E.coli. Men den väg som används av E. coli och växter har ett högre teoretiskt utbyte, vilket innebär att fler isoprenoider teoretiskt sett skulle kunna tillverkas av samma mängd socker i E.coli än i jäst. Därför, Att försöka optimera E.coli för isoprenoidproduktion är bra kommersiellt.

Teamet jämförde åtta olika växt-HDR-gener och en cyanobakteriell HDR-gen i E.coli. Det bästa resultatet fick man med gener från persika, poppel och ricinböna. Eftersom detta var ett proof of concept, teamet producerade bara 2 mg isopren per liter cellbuljong. Men med ytterligare ingenjörs- och jäsningsoptimeringsinsatser, forskarna förväntar sig att förbättra isoprenproduktionen i E. coli med detta system.

"Vi såg att valet av rätt växtenzym gjorde stor skillnad för isoprenproduktionen i E. coli. Så, Vårt sätt att lära av naturen om hur vissa växter blev så bra på att avge isoprenoider hjälpte oss verkligen att designa effektivare cellfabriker, " avslutar hon.