Elektronentransfer zelluloseabbauerender Enzyme

Die Zusammenarbeit zweier Enzyme, der lytischen Polysaccharidmomooxygenase (LPMO) und Cellobiosedehydrogenase (CDH), bewirkt eine Effizienzsteigerung bei der enzymatischen Zellulosehydrolyse. Die Rolle der CDH ist es, Elektronen an die LPMO weiterzuleiten und sie dadurch zu reduzieren um sie für die Katalyse zu aktivieren. Der exakte Ablauf dieses Elektronentransferprozesses ist jedoch unbekannt, auch ist seine Relevanz gegenüber kleinen Reduktionsmitteln wie Gallussäure abzuschätzen. Die vorliegende Studie bedient sich verschiedener CDHs und LPMOs aus holzabbauenden Pilzen um den Mechanismus und die Kinetik des Elektronentransferprozesses aufzuklären. Dazu wird die CDH/LPMO Interaktion sowohl in homogener Lösung, wie auch im physiologisch relevantem, an Zellulose gebundenen, heterogenen Zustand untersucht. Zur Untersuchung der Interaktion in Lösung werden schnelle kinetische sowie kalorimetrische Methoden eingesetzt. Zur Untersuchung der Protein-Protein und Protein-Zellulose Interaktionen in gebundenem Zustand werden HPLCund Massenspektrometrie herangezogen. Das Projekt testet die Hypothese, dass die natürliche Funktion der CDH die einer LPMO- Reduktase ist. Drei Fragen sollen dabei im Besonderen beantwortet werden: 1) Gibt die CDH Elektronen schnell an LPMO weiter und wie schnell ist sie im Vergleich zu niedermolekularen Reduktionsmitteln? 2) Interagieren CDH und LPMO über eine spezifischen Proteinschnittstelle (Proteinoberfläche) oder basiert der Elektronentransfer zwischen den Enzymen auf zufälligen Kontakten? 3) Variiert die Interaktion von CDH und LPMO Enzymen mit und ohne Kohlenhydratbindungsstelle? Diese Studie soll die Grundlagen extrazellulärer Redoxprozesse im Bereich des Holzabbaus erarbeiten. Die Ergebnisse sind für die annwendungsnahe Forschung wichtig, um den Abbau von Pflanzenstoffen zur Gewinnung von Biotreibstoffen oder Rohstoffen in Grünen Bioraffinerien zu verbessern.

Die Zusammenarbeit zweier Enzyme, der lytischen Polysaccharidmomooxygenase (LPMO) und Cellobiosedehydrogenase (CDH), bewirkt eine Effizienzsteigerung bei der enzymatischen Zellulosehydrolyse. Die Rolle der CDH ist es, Elektronen an die LPMO weiterzuleiten und sie dadurch zu reduzieren um sie für die Katalyse zu aktivieren. Der exakte Ablauf dieses Elektronentransferprozesses ist jedoch unbekannt, auch ist seine Relevanz gegenüber kleinen Reduktionsmitteln wie Gallussäure abzuschätzen. Die durchgeführten Versuche zeigten, dass CDH nicht nur Elektronen zur Aktivierung des Redoxzentrums der LPMO liefert, sondern auch das Kosubstrat Wasserstoffperoxid zur Verfügung stellt und so die Katalyserate der LPMO dramatisch steigert. Die vorliegende Studie bediente sich verschiedener CDHs und LPMOs aus holzabbauenden Pilzen um den Mechanismus und die Kinetik des Elektronentransferprozesses aufzuklären. Dazu wurdr die CDH-LPMO Interaktion sowohl in homogener Lösung, wie auch im physiologisch relevantem, an Zellulose gebundenen, heterogenen Zustand untersucht. Zur Untersuchung der Interaktion in Lösung werden schnelle kinetische sowie kalorimetrische Methoden eingesetzt. Zur Untersuchung der Protein-Protein und Protein-Zellulose Interaktionen in gebundenem Zustand werden HPLC und Massenspektrometrie herangezogen. Das Projekt zeigte, das die natürliche Funktion der CDH tatsächlich die einer LPMO-Reduktase ist. CDH und LPMO interagieren über eine spezifischen Proteinschnittstelle an der Proteinoberfläche um einen effizienten Elektronentransfer zwischen den Enzymen zu gewährleisten. Ebenso wurde ein Unterschied in der Interaktion beobachtet, wenn eine Kohlenhydratbindungsmodul im Enzym vorhanden war. Diese Studie vertieft die Grundlagen extrazellulärer Redoxprozesse im Bereich des Holzabbaus. Die Ergebnisse sind für die annwendungsnahe Forschung interessant um den Abbau von Pflanzenstoffen zur Gewinnung von Biotreibstoffen oder Rohstoffen in Grünen Bioraffinerien zu verbessern.