Entwicklung künstlicher Proteine für eine bessere chemische Nutzung von Holz

Die biologische Zersetzung von Biomasse besteht aus einer Abfolge komplizierter chemischer Reaktionen. Das Projekt versuchte, diesen Vorgang möglichst präzis zu beschreiben. Dies soll neue Wege aufzeigen, wie die mikrobielle Katalyse genutzt werden kann, um Holz in Chemikalien aufzuspalten. Dadurch könnten langfristig verschiedene Chemiespezialitäten ohne Erdöl hergestellt werden.

Mehr als 90 Prozent der nicht ozeanischen Biomasse entfällt auf Holz. Dieses Potenzial für chemische Synthesen wird bisher allerdings kaum genutzt, weil die biologischen Abbauprozesse von Holz sehr komplex sind.
Weltweit produzieren verholzte Pflanzen aus Kohlenstoffdioxid, Wasser und Sonnenenergie pro Jahr etwa 100 Milliarden Tonnen Lignocellulose für ihr Strukturgerüst. Landgebundene Pilze und Bakterien mineralisieren beinahe dieselbe Menge an Biomasse, um daraus Energie und Nährstoffe zu gewinnen. Besonders Pilze vermögen feste Biomasse in wasserlösliche oder gasförmige Produkte umzuwandeln. Die biochemischen Mechanismen dieser Abbauprozesse sind aber bisher zu wenig erforscht, um sie gezielt industriell nutzbar zu machen.

Lignocellulose ist biologisch schwer abbaubar, weil ihre Bausteine, die Ligninpolymere, chemisch sehr stabil sind. Zudem ist bei Holzstücken immer nur die Oberfläche für Enzyme zugänglich. Die Forschenden konstruierten in diesem Projekt verschiedene künstliche Proteine und Proteinkomplexe und charakterisierten ihre Wirkung auf die Lignin abbauenden Enzyme. Dabei wollten sie insbesondere folgende Fragen beantworten: Wie erkennen Lignin abbauende Enzyme die Oberfläche ihres Substrats? Wie verändert sich die Aktivität dieser Enzyme, wenn sie sich an der Substratoberfläche anlagern? Können die künstlichen Proteine diesen Enzymen zu grösserer Aktivität verhelfen?

Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sollen Lignocellulose als Quelle für chemische Grundstoffe zugänglicher machen. Mit der Entwicklung geeigneter Zerlegungsmethoden wird es möglich sein, Holz als vergleichsweise günstige und nachwachsende Ressource neuen und vielfältigen industriellen Nutzungen zuzuführen.

Im Rahmen des Projekts wurde ein neuer Mechanismus entdeckt, durch den Enzyme molekularen Sauerstoff aktivieren und zur Spaltung starker chemischer Bindungen verwenden können, wie sie für Lignin typisch sind. Ausserdem wurde eine Methode entwickelt, mit der sich Proteine an der Oberfläche von nanoskopischen Cellulosekristallen verankern lassen. Solche Kompositmaterialien könnten in Zukunft erdölbasierte Kunststoffe ersetzen.

Characterization and engineering of lignin: Protein interactions