Enzymherstellung auf Lignozellulose mit T. reesei

Zellulose ist ein Hauptbestandteil der Pflanzenzellwand. Da es eines der am häufigsten vorkommenden Kohlenhydratquellen der Erde ist, hat die Verwertung von Zellulose für die Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien ein enormes Potential. Mit der Hilfe von Enzymen lässt sich Zellulose zu Glukose abbauen, welche dann zu einer breiten Produktpalette umgewandelt werden kann. Die Realisierung großtechnischer Prozesse steht dabei vor Herausforderungen, die in der Struktur der Zellulose begründet sind. Zellulose liegt in einer komplexen Struktur vor, welche ihr eine außergewöhnliche Resistenz gegen Abbau verleiht. Diese Struktur macht eine Vielzahl von Enzymen nötig, um Zellulose erfolgreich zu Glukose abzubauen. Jedes der Enzyme agiert dabei an einem bestimmten Bereich der Zellulose. Die sich daraus ergebende Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Enzymen und der Substratstruktur ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Dieses verhindert die Optimierung der Enzymgemische, was einen langsamen und unvollständigen Zelluloseabbau und den Verbrauch großer Enzymmengen zur Folge hat. Beides ist für die großtechnische Realisierung des Prozesses untragbar. Der Pilz Trichoderma reesei stellt auf natürlichem Weg alle Enzyme her, die für den Zelluloseabbau in den verschiedenen Rohmaterialen nötig sind. Dieses ermöglicht dem Pilz, auf Zellulose als Substrat zu wachsen. Der Pilz geht dabei eine Wechselbeziehung mit dem Substrat ein und kann sowohl die Zusammensetzung des produzierten Enzymgemischs als auch seine Form (Morphologie) an das Substrat anpassen. Durch dieses Erfühlen des Substrates kann der Pilz zellulosehaltige Substrate effizient abbauen. Der Mechanismus, der diesem Erfühlen unterliegt, ist derzeit noch ungeklärt. Dieses Wissen würde jedoch helfen, optimierte Enzymgemische herzustellen. Das Ziel dieses Projekts ist die Analyse der Wechselbeziehung zwischen dem hergestellten Enzymgemisch, der Zellulosestruktur und der Pilzmorphologie, während der Pilz T. reesei auf verschiedenen zellulosehaltigen Substraten wächst. In Abhängigkeit der Kultivierungszeit und des verwendeten Substrates soll dabei folgendes erforscht werden: die Zusammensetzung des produzierten Enzymgemischs, die Veränderung der Substratstruktur und die Anpassung der Pilzmorphologie. Von den Resultaten dieser Studie wird ein umfassender Einblick in folgende Punkte erwartet: a) wie das verwendete zellulosehaltige Substrat und seine Struktur die Zusammensetzung des Enzymgemisches und die Pilzmorphologie beeinflusst, b) wie der Pilz das Enzymgemisch optimiert, um das zellulosehaltige Substrat, auf dem er wächst, wirksam abzubauen, und c) wie sich die Substratstruktur als Folge des vom Pilz produzierten Enzymgemisches verändert. Das generierte Wissen ist essentiell, um die Enzymproduktion mit T. reesei und den Zelluloseabbau zu optimieren. Es leistet dabei einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zur großtechnischen Realisierung von Bioraffinerieprozessen.

In dieser Forschungsarbeit haben wir eine neue Methode entwickelt, mit der wir quantitativ feststellen können wie gut ein Zellulose-abbauendes Enzym in die Zellulosefaser eindringen und an jene Stelle gelangen kann wo es aktiv binden kann. Die Methode gibt des weiteren Informationen über die 3-dimensionale Struktur der Zellulosefaser, welche aus dezidiert erkennbaren repetitiven Strukturen aufgebaut ist. Diese Strukturen werden von unterschiedlichen Enzymen präferenziert, und werden dadurch unterschiedlich schnell abgebaut. Mit dieser Methode konnten wir weiter feststellen, dass sich, während des enzymatischen Abbaus, die Struktur der Zellulosefasern unterschiedlich verändert je nachdem welche Enzym-Mischung verwendet wurde. Der größte Unterschied war dann festzustellen, wenn man kommerziell-erhältliche Enzym-Cocktails mit den nativen, vom holzbefallenden Pilz Trichoderma reesei hergestellten, Enzym-Mischungen vergleicht. In einer zweiten Studie haben wir dann weiter festgestellt, dass die Zusammensetzung der Enzym-Mischungen sich ändert, wenn man den Pilz auf Lignozellulosen wachsen lässt die sich sowohl in ihrer chemischen Zusammensetzung als auch in ihrer 3-dimensionalen Struktur unterscheiden. Aus diesen Forschungsergebnissen können wir schließen, dass der Pilz sowohl die Zusammensetzung als auch die Struktur des Substrates, auf dem er wächst "ertasten" kann, und somit eine optimierte Enzym-Mischung herstellt. Mit diesem neuen Wissen können wir gezielter Enzym-Cocktails herstellen, die auf die jeweiligen Charakteristiken der verschiedenen Biomassen zugeschnitten sind. Das kann uns helfen einer industriellen Verwertung dieses nachwachsenden Rohstoffes ein wenig näher zu kommen, um Mineralöl-basierende Chemikalien und Kraftstoffe bald mit nachhaltigeren Alternativen zu ersetzen.