Entwicklung von LPMOs für (Bio-)Polymermodifikationen

Aktuell ist unser Alltag stark von Kunststoffen und synthetischen Polymeren abhängig, doch ihre Widerstandsfähigkeit gegen natürlichen Abbau stellt ein erhebliches Umweltproblem dar. Die Natur bietet jedoch möglicherweise geeignete Werkzeuge, um diesem Problem zu begegnen - in Form von Enzymen wie zum Beispiel Lytischen Polysaccharid Monooxygenasen (LPMOs). Diese einzigartigen Enzyme, die von verschiedenen Organismen genutzt werden, sind entscheidend für den Abbau von natürlichen Materialien wie Holz und Chitin, indem sie gezielt Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen modifizieren. Ihre Fähigkeit, direkt auf feste, kristalline Bereiche von Polymeren einzuwirken, macht sie besonders vielversprechend für industrielle Anwendungen. Die Anwendung von LPMOs auf nicht-natürlichen Materialien hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Derzeit entwickelte LPMO-Varianten verlieren ihre Aktivität, insbesondere wenn sie nicht stark genug an das Zielmaterial binden. Bestehende Verfahren zur Enzymverbesserung stoßen bisher an ihre Grenzen, da sie mit den komplexen Wechselwirkungen und der Selbstinaktivierung des Enzyms zu kämpfen haben. Dieses Projekt schlägt einen neuartigen Ansatz vor, um diese Probleme zu überwinden und die Fähigkeiten von LPMOs zu erweitern. Mithilfe von maschinellem Lernen und gerichteter Evolution werden fortschrittliche "Protein-Sprachmodelle" genutzt, um plausible Mutationen zu identifizieren, die die Bindung und den Abbau verschiedener Substanzen durch LPMOs verbessern. Eine zentrale Strategie besteht darin, die Bindungsstelle des Enzyms neu zu gestalten, LPMOs mit weiteren Proteineinheiten zu fusionieren und die Substratbindung zu verbessern. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die starke oxidative Reaktion des Enzyms effektiver auf das Substrat zu lenken, die Aktivität zu steigern und die Selbstinaktivierung zu verhindern. Tausende von Enzymvarianten werden dabei effizient mit einem Hefezell-Oberflächendisplay- System getestet. Dies ermöglicht es uns, Varianten mit verbesserten Bindungseigenschaften auf verschiedenen Materialien zu identifizieren, darunter natürliche Biopolymere, modifizierte natürliche Derivate (z.B. Chitosan) und sogar synthetische Polymere (z.B. Polyethylen und Polystyrol). Die vielversprechendsten Varianten werden anschließend auf ihre enzymatische Aktivität hin untersucht, wobei neu entwickelte elektrochemische Nachweismethoden eingesetzt werden, die Echtzeiteinblicke in die Reaktion bieten. Das ultimative Ziel ist es hoch effiziente LPMOs mit neuartigen Funktionen zu entwickeln. Dies wird eine neue Plattform schaffen, um Enzyme zu entwerfen, die in der Lage sind, eine breite Palette von natürlichen und synthetischen Polymeren zu modifizieren und abzubauen. Diese Forschung bildet daher einen Grundstein für nachhaltige Entwicklungen, trägt zu einer grüneren Zukunft und einer zirkulären Bioökonomie bei und soll unseren ökologischen Fußabdruck reduzieren.