Enzymologie der Xyloseverwertung in Hefe

Eine kürzliche Richtlinie der Europäischen Kommission stellt fest, dass bis zum Jahr 2005 Biotreibstoffe etwa 2% des gesamten Treibstoffverbrauchs ausmachen sollen. Es ist notwendig, bestehende Biotechnologien hinsichtlich ihrer Produktivität und Kosteneffizienz zu verbessern, um dieses Ziel zu erreichen. Ethanol ist der vielversprechendste Biotreibstoff der Zukunft für bestehende Automobiltechnologien. Er wird durch biologische Konversion unter Ausschluss von Sauerstoff, dem Prozess der mikrobiellen Fermentation, gewonnen. Unter den möglichen Rohstoffen für die Herstellung von Ethanol ist Lignocellulose in erneuerbarer pflanzlicher Biomasse von herausragender Bedeutung. Lignocellulose besteht aus den Polysacchariden Zellulose und Hemizellulose sowie Lignin und findet sich in riesigen Mengen in Abfällen aus der Land- und Forstwirtschaft und der Papier- und Zellstoffindustrie. Techno-ökonomische Analysen haben gezeigt, dass die wirtschaftlich sinnvolle Verwertung von Lignocellulose durch biotechnologische Prozesse davon abhängt, dass sowohl Zellulose als auch Hemizellulose in wertgesteigerte Produkte überführt werden. Während Glukose, der Grundbaustein von Zellulose, leicht zu Ethanol umgesetzt werden kann, stellt die Fermentation der Xylose, die Hauptkomponente von Hemizellulose, ein Problem dar, welches an der Grenzfläche von mikrobieller Physiologie und Prozesstechnik angesiedelt ist. Die klassische Bäcker- oder Brauereihefe kann Xylose nicht vewerten, ausser es werden dem Organismus durch molekularbiologische Methoden zusätzliche metabolische Fähigkeiten verliehen. Trotzdem produzieren `Designerstämme` wenig Ethanol und akkumulieren viele Nebenprodukte. Das Hauptproblem der ungenügenden Prozesseffizienz liegt darin, dass Redoxkofaktoren NAD und NADP während der Assimilierung der Xylose nicht rezykliert werden und damit eine Stresssituation für die Zelle erzeugt wird. Für die Entwicklung eines industriellen Produktionsorganismus ist es daher nötig, die inizialen Schritte des Xylosemetabolismus zu optimieren. Vorarbeiten in der Gruppe des Antragstellers bieten nun erstmals die Möglichkeit, die beschriebene Problematik ursächlich zu lösen. Durch Protein Engineering werden Enzyme mit maßgeschneiderten Spezifitäten für die Xyloseassimilierung hergestellt und die veränderten Gene im Hefegenom integriert. Der gezielt veränderte Organismus wird in der Lage sein, Xylose mit höheren Ausbeuten in Etanol umzusetzen und weniger Nebenprodukte zu bilden. Die durch Metabolic Engineering hergestellten Hefestämme werden in Bioreaktoren physiologisch und prozesstechnisch charakterisiert. Das Projekt stellt einen wesentlichen Schritt zur Herstellung industrieller Hefen für die Fermentation von Xylose dar.

Eine kürzliche Richtlinie der Europäischen Kommission stellt fest, dass bis zum Jahr 2020 Biotreibstoffe etwa 10% des gesamten Treibstoffverbrauchs ausmachen sollen. Es ist notwendig, bestehende Biotechnologien hinsichtlich ihrer Produktivität und Kosteneffizienz zu verbessern, um dieses Ziel zu erreichen. Ethanol ist einer der vielversprechendsten Biotreibstoffe der Zukunft für bestehende Automobiltechnologien. Er wird durch biologische Konversion unter Ausschluss von Sauerstoff, dem Prozess der mikrobiellen Fermentation, gewonnen. Unter den möglichen Rohstoffen für die Herstellung von Ethanol ist Lignocellulose in erneuerbarer pflanzlicher Biomasse von herausragender Bedeutung. Lignocellulose besteht aus den Polysacchariden Zellulose und Hemizellulose sowie Lignin und findet sich in riesigen Mengen in Abfällen aus der Land- und Forstwirtschaft und der Papier- und Zellstoffindustrie. Techno-ökonomische Analysen haben gezeigt, dass die wirtschaftlich sinnvolle Verwertung von Lignocellulose durch biotechnologische Prozesse davon abhängt, dass sowohl Zellulose als auch Hemizellulose in wertgesteigerte Produkte überführt werden. Während Glukose, der Grundbaustein von Zellulose, leicht zu Ethanol umgesetzt werden kann, stellt die Fermentation der Xylose, die Hauptkomponente von Hemizellulose, ein Problem dar, welches an der Grenzfläche von mikrobieller Physiologie und Prozesstechnik angesiedelt ist. Die klassische Bäcker- oder Brauereihefe kann Xylose nicht vewerten, außer es werden dem Organismus durch molekularbiologische Methoden zusätzliche metabolische Fähigkeiten verliehen. Trotzdem produzieren `Designerstämme` wenig Ethanol, akkumulieren viele Nebenprodukte und verwerten Xylose sehr langsam. In diesem Projekt wurden durch einen umfassenden biologisch-prozesstechnischen Forschungsansatz an den wesentlichen Schlüsselstellen der Prozesseffizienz signifikante Verbesserungen erhalten. Die Bildung von Nebenprodukten konnte durch den Einsatz von maßgeschneiderten Enzymen stark unterdrückt werden und die Geschwindigkeit der Umsetzung von Xylose durch Prozesstechnik deutlich erhöht werden. Die im Projekt entwickelten Hefestämme eignen sich gut für die Umsetzung von Hydrolysaten von Lignozellulose. Nationale und internationale Kooperationen wurden in diesem Bereich etabliert.