Cellulose Abbau durch das Cellulosom

Die nachhaltige Produktion von Treibstoffen, Chemikalien und Materialien aus erneuerbarer, pflanzlicher Biomasse ist ein zentrales Anliegen von globaler Bedeutung. Die möglichen Vorteile, für die Diversifizierung der Energieproduktion, die Reduktion von Schadstoffemissionen und die ländliche Entwicklung, haben langfristige Bedeutung für die Gesellschaft insgesamt. Biotechnologie- basierte Konzepte der Bioraffinerie werden dann eine bedeutende Rolle in zukünftigen Nutzungsszenarien spielen, wenn es gelingt, nachhaltige und kosteneffiziente Ansätze für den Abbau des komplexen lignozellulosischen Materials in weitverbreiteten Biomasse Rohstoffen, wie Resten und Abfällen aus Land- und Forstwirtschaft, zu entwickeln. Die meisten der aktuellen Bioraffineriekonzepte fokussieren auf fortschrittliche Biotreibstoffe, hauptsächlich Ethanol aber auch andere, die aus den durch enzymatiche Hydrolyse aus dem Rohstoff freigesetzten Zuckern hergestellt werden. Die ausgeprägte Widerstandsfähigkeit gegen enzymatischen Abbau der polysaccharidischen Bausteine der Biomasse, im besonderen jene von Zellulose, stellen ein hauptsächliches Hindernis dar, das jede erfolgreiche Prozesskonzeption überwinden muss. Neben effektiver Vorbehandlung der Biomasse ist ein effizient abbauendes Enzymsystem notwendig, um dieses Ziel zu erreichen. In der Natur gibt es zwei Paradigmen des enzymatischen Zelluloseabbaus: Zellulasen und das Zellulosom. Der Begriff der Zellulase steht breit für ein Konsortium an Polysaccharidhydrolasen, die sich in Spezifität und Wirkweise unterscheiden und synergistisch am Abbau von lignozellulosischen Substraten beteiligt sind. Enzyme aus Zellulase Systemen assemblieren typischerweise nicht zu größeren Proteinkomplexen. Das Zellulosom unterscheidet sich fundamental von Zellulasen. Es ist eine biologische Nanomaschine. Das Zellulosom stellt eine geordnete Ansammlung von Enzymen an einem Gerüstprotein dar. Es ist ein Megadalton großer Proteinkomplex, der aus mehreren enzymatischen Untereinheit besteht, die wiederum an einem nichtkatalytischen Gerüstprotein verankert sind. Die Polysaccharidhydrolasen des Zellulosoms scheinen im wesentlichen dieselben zu sein wie sie im Zellulase System gefunden werden. Die wesentliche wissenschaftliche Aufgabe des Projekts ist es, den Abbau von Zellulose durch das Zellulosom in seinen fundamentalen Grundlagen als Wirkung einer biologischen Nanomaschine besser zu verstehen und sichtbar zu machen. Die zugrundeliegendeForschunghypothese ist, dass sich das Zellulosom hinsichtlich seiner mechanistischen Wirkweise im Abbau von Zellulose, messbar im Nanometerbereich, grundsätzlich und fundamental von Zellulasen unterscheidet. Einzelmolekülstudien mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie werden eingesetzt, um die Dekonstruktion von Zellulose durch Zellulosom zu visualisieren. Das vollständige Zellulosom wird untersucht ebenso wie kleinere Fragmente, die als Mini- oder Designer Zellulosome bezeichnet werden. Die Dynamik des Enzymverhaltens an der Zelluloseoberfläche wird auf Einzelmolekülebene verfolgt. Der gleichzeitig stattfindende Abbau der Substratoberfläche wird untersucht. Neben seiner biologischen Bedeutung ist das Zellulosom von beträchtlicher industrieller Signifikanz. Das Zellulosom zeigt herausragende Effizienz im Abbau von zellulosischen Substraten. Es könnte daher eine zentrale Rolle in der Entwicklung von fortschrittlichen Ansätzen der Bioraffinerie spielen. Das gegenständliche Projekt adressiert daher ein Forschungsgebiet von unmittelbarer Relevanz und aktueller Bedeutung.

Der Pflanzenbestandteil Cellulose ist ein ausgesprochen widerstandsfähiges, wasserunlösliches Polymer aus Traubenzucker und eine potentiell vielversprechende Quelle für nachhaltige Treibstoffe, Chemikalien und Materialien aus pflanzlicher Biomasse. Jedoch stellt das Aufbrechen der Cellulosestruktur in leicht nutzbare Monomere eine große technische und ökonomische Herausforderung dar. In der Natur erfolgt der biologische Celluloseabbau entweder durch Cellulasen oder durch das Cellulosom. Cellulasen sind Enzyme, die sich in ihrer Spezifität und Wirkweise unterscheiden und synergistisch am Abbau von Cellulose aus verholzten Pflanzen wie Bäumen oder Sträuchern beteiligt sind. Obwohl sich einzelne Cellulasen in räumlicher Nähe zueinander befinden können, handelt es sich um individuelle, physisch unabhängige Einheiten. Beim Cellulosom handelt es sich hingegen um einen Proteinkomplex, eine geordnete und physisch miteinander verbundene Ansammlung jener Enzyme, die für den Celluloseabbau notwendig sind. Im Zuge dieses Projekts wurde das Cellulosom von Clostridium thermocellum in seinen fundamentalen Grundlagen als celluloseabbauende biologische Nanomaschine besser verstanden und mit den archetypischen Cellulasen von Trichoderma reesei verglichen. Dies geschah sowohl auf der Mikrometerebene als auch auf Einzelmolekülniveau während des Celluloseabbaus mittels Rasterkraftmikroskopie. Während der Untersuchung auf hochkristalliner Cellulose konnten konkrete Erkenntnisse über deutlich unterschiedliche Abbaumuster auf Mikrometerebene der beiden analysierten Systeme gewonnen werden. In der Folge wurden beide Cellulasesysteme mit hoher Zeitauflösung untersucht. Die Ergebnisse dieser Analysen ermöglichten nicht nur die Herstellung einer Verbindung zwischen der Form und Bewegung der Cellulosome, sondern enthüllten auch einen bislang nicht beschriebenen Abbaumodus der freien Cellulasen. Dieser Modus involviert einen losen Komplex aus verschiedenen Cellulasen, ähnlich dem Cellulosom. Damit wurde ein neues Verständnis für die Mechanismen des Celluloseabbaus geschaffen, das potenziell wegweisend für die Entwicklung innovativer Strategien ist, einschließlich der Möglichkeit von Cellulase/Cellulosom-Hybriden. In Summe könnten die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse über die fundamentalen Wirkweisen der beiden archetypischen Cellulasesysteme dazu beitragen, neue Strategien für die Depolymerisation von Cellulose zu entwickeln, wie etwa die Entwicklung von Cellulase/Cellulosom-Hybriden.