Ein synthetisches Expressionssystem für das T. reesei Xyr1 Regulon (SYNEX)

Biotreibstoffe der zweitenGeneration(Lignozelluloseethanol)sind eine vielversprechende Alternative zu klassischen fossilen Energiequellen und konkurrieren im Gegensatz zu diesen dessen nicht mit der Versorgung an Nahrungs- und Futtermitteln, noch benötigen sie zusätzliche landwirtschaftliche Nutzflächen. Dieser Vorteil beruht darauf, dass die verwendeten Rohmaterialien lignozellulosehältige Bioabfälle (LBA) sind. Lignozellulose ist der weltweit am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff und häuft sich als Abfallprodukt in der Landwirtschaft (z.B. Getreidestroh, Maisstiele, Sojabohnenreste und Bagassse), der Industrie (z.B. der Papierindustrie), der Forstwirtschaft und Holzverarbeitung an und ist in kommunalem Abfall enthalten. Lignozellulose hat schätzungsweise einen ca. Anteil von 50 % an der weltweit vorhandenen Biomasse (dies entspricht 10 50 Mrd. Tonnen). Diese Menge ist mehr als ausreichend um den Bedarf an diesem Rohstoff für die Chemikalien-, Materialen- und Treibstoffherstellung zu decken. Ein kommerzieller Biotreibstoff/Bioraffinerieprozess ist mehrstufig: i) physikalische und/oder chemische Vorbehandlung der LBA (zur Ligninabtrennung und Erhöhung der Wasserlöslichkeit), ii) enzymatische Hydrolyse der LBA (zur Depolymerisierung der (Hemi)zellulose) und iii) Vergärung der so erhaltenen Monosaccharide zu Ethanol. Die Menge an hydrolytischen Enzymen, die für eine effiziente Hydrolyse von LBA benötigt wird, ist sehr hoch unddaher ein kritischer Faktor für dieRentabilität des Produktionsprozesses. Einer der meistverwendeten Organismen zur industriellen Herstellung dieser Enzyme ist der filamentöse Pilz Trichoderma reesei. Derzeit benötigen entsprechende biotechnologischeVerfahrendenZusatz von induzierendenSubstanzenzum Fermentationsmedium von T. reesei zur Aktivierung der Enzymherstellung im Pilz. Diese Induktorsubstanzen müssen in einem weiteren Prozess erzeugt werden, was eine erhebliche Kostensteigerungbewirkt. Darüber hinaus hemmen Glukoseundhohe D- Xylosekonzentrationen (die dominanten Endprodukte der Hydrolyse von LBA) die Enzymproduktion, sogar in Stämmen bei denen die Cre1-vermittelte Kohlenstoffkatabolit- repression eliminiert wurde. Im vorgeschlagenem Projekt sollen diese Nachteile ausgeräumt werden. Konkret ist geplant einen chimären Transaktivator bzw. eine synthetische Signaltransduktionskaskade auf Basis des Xylanase Regulators 1 aus T. reesei, dem humanen Östrogenrezeptor und dem LexA Operator aus Escherichial coli zu konstruieren. Die rekombinanten Stämme, die diesen Faktor bzw. diese Kaskade beinhalten, erlauben es: i) auf eine billigere Induktorsubstanz (Estradiol) zurückzugreifen, ii) wodurch außerdem der zusätzliche Prozessschritt der Induktorerzeugung entfällt, iii) eine Produktion von LBA- hydrolysierenden Enzymen entkoppelt von Kohlenstoffkatabolitrepression, iv) und damit die Verwendung von billigen Kohlenstoffquellen (z.B. Lignocellulosehydrolysate bestehend aus Glukose, D-Xylose und L-Arabinose) für die Produktion von LBA-hydrolysierenden Enzymen.

Während des Forschungsprojektes SYNEX ist es gelungen, eine neue biotechnologische Methode zu entwickeln, um Proteine auf nachhaltige Weise zu produzieren. Der Mikroorganismus, der dazu verwendet wird, ist Trichoderma reesei. Das ist ein saprotropher Pilz, was bedeutet, dass er in der Natur pflanzliche Biomasse, die vor allem aus Lignozellulose besteht, abbaut und auf diese Weise sein eigenes Wachstum ermöglicht sowie seinen Energiebedarf deckt. Lignozellulose ist der weltweit am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff und häuft sich als Nebenprodukt in der Landwirtschaft (z.B. Getreidestroh, Maisstiele, Sojabohnenreste), der Industrie (z.B. der Papierindustrie), der Forstwirtschaft und Holzverarbeitung an und ist in kommunalem Abfall enthalten. Damit ist sie eine günstige, nachwachsende und somit nachhaltige Ressource, die angesichts des steigenden Bedarfes der Menschheit an Energie, Rohstoffen und Gütern nicht ungenutzt bleiben sollte. Der oben genannte Pilz ist daher ein idealer Kandidat, um in der Biotechnologie als Produktionsorganismus zum Einsatz zu kommen. Während des Projektes wurden diesem Pilz bestimmte genetische Schaltmechanismen eingefügt, damit dieser ein gewünschtes Protein in großer Menge herstellt, unabhängig davon auf welcher Nährstoffquelle der Pilz wächst. Angeschaltet wird diese Produktion durch Zugabe geringster Mengen des menschlichen Östrogenhormons. Das Spektrum der Proteine, die hergestellt werden können, ist äußerst breit und reicht von Enzymen, die ihrerseits wesentlich zu ökologisch besser vertretbaren Produktionsprozessen (zB durch Reduktion des Einsatzes von Chemikalien) beitragen können, bis hin zu Proteinen, die in der Medizin Anwendung finden.