Elektronenfluß beim oxidativen Zelluloseabbau

Pflanzliche Biomasse ist der größte Energiespeicher der Erde. Holzabbauende Pilze machen sich diesen riesigen Energievorrat zunutze, indem sie die widerstandsfähigen Biopolymere im Holz durch Enzyme in verdauliche Zuckermoleküle umwandeln. Ein kürzlich entdecktes Enzymsystem spielt dabei eine entscheidende Rolle: Es bricht die dichte Struktur der Biomasse auf und macht sie damit für andere Enzyme leichter abbaubar. Sog. lytische Polysaccharidmonooxygenasen (kurz LPMOs) sind hierbei Schlüsselenzyme, da sie gezielt die kristallinen Oberflächen in der Biomasse angreifen. LPMOs können aber nicht alleine arbeiten, sondern müssen über Hilfsenzyme (sog. Zellobiosedehydrogenasen, CDHs) aktiviert werden. Ein Schlüsselmechanismus bei diesem Vorgang ist eine gerichtete Elektronentransportkette, die letzlich zur Aktivierung der LPMO führt. Dieser Elektronentransfer führt über mehrere reaktive Zentren von der CDH zur LPMO, was eine ausgesprochen hohen Dynamik dieser Enzyme vorraussetzt. Ziel dieses Projektes ist es, diese Dynamik mit zeitlich und räumlich hochauflösenden Methoden darzustellen. Dieses Ziel soll durch ein kollaboratives Projekt, dass die Arbeitsgruppen von Dr. Roland Ludwig (BOKU Universität, Wien) und von Prof. Nigel Scrutton (University of Manchester) einschließt, erreicht werden. Durch hochspezialisierte Methoden, die in Manchester zur Verfügung stehen, können einzelne Reaktionsschritte der Enzyme bis in den Pikosekunden-Bereich aufgelöst werden, und somit gerichtete Enzymbewegungen dargestellt werden. Komplementär dazu soll in Wien die Verteilung und Interaktion der Enzyme auf Oberflächen, wie sie in der Natur vorkommen, untersucht werden. Dazu wird ein elektrochemisches Elektronenmikroskop verwendet werden, dass es erlaubt Enzyme aufgrund ihrer katalytischen Aktivität zu identifizerien. Erkenntnisse, die aus dieser Arbeit hervorgehen, könnten somit wesentlich zum Verständis der Physiologie von Pilzen beitragen, sind zugleich aber auch die conditio sine qua non für die kommerzielle Anwendung der Enzyme, um z.B. aus dem Rohstoff Holz schonend und nachhaltig Energie oder energiereiche Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.

Holzabbauende Pilze spielen eine wesentliche Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie sind in der Lage, widerstandsfähige Bestandteile von Pflanzenzellen, wie z. B. Zellulose, durch spezialisierte Enzyme abzubauen und zu verwerten. Eine kürzlich entdeckte Klasse von Zellulose-abbauenden Enzymen spielt bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Die Aktivierung dieser Enzyme bedarf einer gezielten und gerichteten Übertragung von Elektronen. Dieser komplexe Elektronentransfer führt über mehrere reaktive Zentren und setzt eine ausgesprochen hohe Dynamik der involvierten Enzyme voraus. In diesem Projekt wurden diese Elektronentransferschritte mit zeitlich hochauflösenden Methoden erfasst und mit den dynamischen Bewegungen der Enzyme korreliert. Unter Zuhilfenahme eines breiten Methodenspektrums, das vorwiegend biochemische aber auch molekularbiologische und computergestützte Techniken beinhaltete, wurde die Interaktion zwischen den untersuchten Enzymen auf molekularer Ebene analysiert und aufgeschlüsselt. Dieses Ziel wurde durch ein gemeinschaftliches Projekt, das die Arbeitsgruppen von Dr. Roland Ludwig (BOKU Universität, Wien) und von Prof. Nigel Scrutton (University of Manchester) einschließt, erreicht. Des Weiteren wurde im Zuge dieses Projektes eine Methode entwickelt und angewandt, die es erlaubt den Abbau von Zellulose durch die untersuchten Enzyme in Echtzeit und ohne aufwendige Analyseverfahren zu verfolgen. Resultate, die aus diesem Projekt hervorgegangen sind, tragen somit nicht nur zum Verständnis der Physiologie von Pilzen bei, sondern leisten auch einen wichtigen Beitrag zur kommerziellen Anwendung von Pilzenzymen, um z. B. aus dem Rohstoff Holz schonend und nachhaltig Energie oder energiereiche Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.