Bioethanol-Forschung nimmt neue Enzyme ins Visier
Lignozellulose besteht aus einem Komplex aus eng an Lignin gebundenen Kohlenhydratpolymeren (Zellulose und Hemizellulose), der zuerst in viel einfachere Zuckermoleküle aufgespalten wird, bevor eine Fermentierung in Bioethanol erfolgen kann. Die dichtgepackte Struktur der Lignozellulose ist jedoch extrem widerstandsfähig gegen einen enzymatischen Abbau, was bei einer Verwendung zur Bioethanolproduktion Probleme bereitet. Dieser Herausforderung hat sich das Projekt DISCO gestellt - mit dem Ziel, neuartige Enzyme zum Abbau von Lignozellulose und die Wirkungsweise dieser Enzyme zu erforschen. Die Forscher wählten Weizenstroh, Weizenkleie, Maiskolben und Fichte als Quelle leicht zugänglicher Lignozellulose-Biomasse. Um das Ausgangsmaterial leichter durch Enzyme verarbeitbar zu machen, wurden Vorbehandlungsverfahren entwickelt, die Struktur und Chemie der untersuchten Biomasse modifizieren. Nach der Vorbehandlung verbliebene feste Lignozellulose wurde mit Hilfe von Enzymen hydrolysiert, und die Rückstände der Hydrolyse wurden chemisch analysiert und mikroskopisch untersucht. Die pflanzliche Biomasse wird durch verschiedene Mikroorganismen zersetzt, die potenzielle Lieferanten von Enzymen für einen effizienten Abbau von Zellulose und Hemizellulose in vergärbare Zucker sind. Die Projektpartner verfolgten drei verschiedene Strategien, um geeignete Mikroorganismen zu identifizieren: funktionelles Screening von Pilzkulturen, funktionelles Screening von Metagenom-Bibliotheken und In-silico-Screening von Pilzgenomen. Zunächst wurden ca. 700 Pilzstämme, darunter 70 % neue Bodenisolate, einem Screening unterzogen. Die Pilzenzymgemische wurden auf Hemizellulase- und Zellulase-Aktivitäten untersucht; dabei wurden Dutzende geeignete Pilzstämme entdeckt. Allerdings waren die von Pilzkulturen produzierten Enzymgemische typischerweise komplex, mit vielen synergistisch wirkenden Aktivitäten. Dies stellte bei der Bewertung der verschiedenen Enzymkomponenten eine große Herausforderung dar. Die Projektpartner entschieden sich für einen In-silico-Screening-Ansatz unter Verwendung von Metagenom-Bibliotheken von Pilzgenomen, basierend auf der Gensequenz von Enzymen mit ähnlichen Funktionen. Dies ermöglichte den an DISCO beteiligten Wissenschaftlern, Enzyme auszuwählen, die von Pilzen des Wildtyps unter Laborbedingungen nicht in nachweisbaren Mengen produziert werden. Die Forschungen erstreckten sich auch auf die Spezies Myceliophthora thermophile C 1 und führten zu 21 neuen Genen, die charakterisiert und getestet wurden. Im Rahmen des Projekts DISCO gelang es, effektive und kostengünstige Instrumente für die vollständige Hydrolyse von Lignozellulose-Biomasse zu entwickeln und damit Europas führende Stellung bei der Produktion von Enzymen für industrielle Zwecke zu behaupten. Die vollständige Hydrolyse von Lignozellulose-Biomasse wird der europäischen Industrie neuartige großmaßstäbliche Enzymanwendungen ermöglichen und zur Gründung neuer kleiner und mittlerer Unternehmen (KMUs) anregen.