Nährstoff-unabhängige Hydrolaseproduktion in T. reesei

Die Menge an hydrolytischen Enzymen, die für eine effiziente Zellulosehydrolyse während der biotechnologischen Umwandlung von Zellulose zu Alkohol erforderlich ist, ist sehr hoch und die daraus resultierenden Kosten sind ein maßgeblicher Betriebskostenfaktor einer Bioraffinerieanlage ("Zelluloseethanol"). Konsequenterweise ist die Entwicklung von rentablen Produktionsverfahren für hydrolytische Enzyme ein Schlüssel zum kommerziellen Erfolg eines Zelluloseethanol-Prozesses. Ein Ansatz, um Produktionskosten für die benötigten Enzyme zu reduzieren, ist die Verwendung von alternativen Kohlenstoffquellen mit deutlich reduzierten Rohstoffpreisen (z.B. Hydrolysate der Lignozellulose, die aus Glukose, Xylose und Arabinose bestehen). Zurzeit ist es notwendig, zu den Fermentationsmedien, auf denen der (Hemi)zellulaseproduzent Trichoderma fermentiert wird, kostspielige Induktorsubstanzen (d.h. Kohlehydrate, die die Hydrolasebildung induzieren) zuzusetzen. Eine wesentliche Kostenreduktion kann erreicht werden, wenn die Produktion von hochwertigen (Hemi)zellulasemischungen ohne diese Induktoren während der Fermentation auf Lignozellulosehydrolysaten durchgeführt wird. Das Projekt ist fokussiert auf eine zielgerichtete gentechnische Modifikation von Trichoderma reesei, um diese Vorgaben zu erreichen.

Zelluloseethanol wäre eine gute Alternative für fossile Treibstoffe, besonders gemessen daran, dass dieser üblicherweise aus nachwachsendem, nicht als Futter- oder Nahrungsmittel eingesetztem Biomasseabfall hergestellt wird. Allerdings ist sein Preis nach wie vor nicht konkurrenzfähig, sondern erfordert staatliche Subventionen. Dafür ist vor allem die Menge an teuren Enzymen, die für die Hydrolyse der lignozellulosehältigen Biomasse nötig ist, verantwortlich, die letztlich einen bedeutenden Anteil der gesamten Herstellungskosten von Zelluloseethanol ausmachen. Folglich kann die kostengünstige Herstellung dieser hydrolytischen Enzyme als kritischer Punkt für den Erfolg eines sinnvollen Bioethanol- bzw. Bioraffinerieprozesses gesehen werden. Derzeit wird der Pilz Trichoderma reesei für die großtechnische Herstellung dieser Enzyme eingesetzt. Um die nötige Menge an Enzymen zu produzieren, ist es erforderlich, in das Fermentationsmedium für Trichoderma aktivierende Substanzen zuzufügen. Das Projekt FIND-HYPRO zielte darauf ab, Enzyme in ausreichender Menge auch ohne die Zugabe von solchen teuren Induktoren zu erreichen und als Alternative billige Ausgangsstoffe wie lignozellulosehältige Hydrolysate (Mischungen aus Glukose, Xylose oder Arabinose) zu verwenden, um so die Kosten für die Enzyme und damit in Folge auch des Zelluloseethanolherstellungsprozesses zu senken. Abgesehen von der Kostenreduktion der Enzymproduktion, wurde der Pilz auch für die Herstellung von einem Süßstoff namens Erythrit oder Erythritol getestet. Zu diesem Zweck wurde das Genom des Pilzes verändert und die neuen Stämme auf Weizenstroh gezüchtet. Im Zuge dieser Kultivierung konnten diese Stämme den Süßstoff synthetisieren, ohne dass weitere teure oder sozioökonomisch bedenkliche Substanzen hätten hinzugefügt werden müssen. Im letzteren liegt auch die Attraktivität dieses Herstellungsverfahrens: es benötigt nur Biomasseabfall und keine hohen Konzentrationen an Zuckern (!), die in den gegenwärtigen Herstellungsprozessen des Süßstoffes (!) zum Einsatz kommen.