Das Projekt "Erstmaliger technischer Einsatz von Pilzsekretomen zur effizienten stofflichen Verwertung von Stroh- und Holzresten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Institut für Lebensmittelchemie und Lebensmittelbiotechnologie durchgeführt. Lignocellulosen (Stroh, Holz) sind im Unterschied zu den begrenzten fossilen Rohstoffen Erdöl und Koh-le aufgrund der Primärproduktion höherer Pflanzen in nahezu unerschöpflicher Menge vorhanden. Das komplexe, widerstandsfähige Lignocellulose-Netzwerk ist chemisch nur schwer angreifbar. Um an die ökonomisch interessanten Grundbestandteile zu gelangen, muss das Lignocellulosegerüst aufgeschlossen werden. Vor dem Hintergrund des Nachhaltigkeitsprinzips muss dies so schonend wie möglich erfolgen. Es erscheint daher vielversprechend, sich des natürlichen Abbaupotentials von Mikroorganismen zu bedienen, die evolutionär einzelne Bestandteile der Lignocellulose als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. Die effektivsten dieser Organismen finden sich unter den filamentösen Pilzen. Asco- und Basidiomyceten verfügen über eine komplexe, einzigartige Ausstattung an extrazellulären Biokatalysatoren (Sekretom), welche ihnen den enzymatischen Aufschluss lignifizierter Biopolymere ermöglicht. Der Projektansatz kombiniert die moderne Bioverfahrenstechnik mit der Proteomanalytik und der DNA-Rekombinationstechnik, um den in der Natur ablaufenden Kohlenstoffkreislauf effizient nachzubilden und gezielt für die Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen einzusetzen. Neuartig ist die vergleichende Untersuchung und verfahrenstechnische Kombination biochemisch unterschiedlicher extrazellulärer Enzymbestecke aus Holz bewohnenden Asco- und Basidiomyceten sowie deren gezielte Nutzung.
Obwohl die Mechanismen der Holzzersetzung durch lignocellulytische Pilzenzyme seit über drei Jahrzehnten intensiv untersucht werden, fehlten bislang systematische Studien zur Analyse des komplexen Sekretoms von Asco- und Basidiomyceten. Mit Abschluss des Projektes stehen nun erstmals umfassende Datensätze zu den Sekretomen des Ascomyceten Xylaria polymorpha und des Basidiomyceten Pleurotus sapidus bei Kultur auf dem nachwachsenden Rohstoff Rapsstroh zur Verfügung. Wildtypenzyme wurden aus Kulturen beider Organsimen präpariert und erfolgreich zur Umsetzung von Modellsubstraten eingesetzt. Mehrere sekretierte Enzyme aus P. sapidus wurden in heterologe Wirte kloniert und in aktiver Form exprimiert. Nach abschließender bioinformatischer Auswertung der generierten Daten wurden optimierte Enzymcocktails zum Aufschluss von Rapsstroh und Holz eingesetzt und dabei Ligninfraktionen freigesetzt. Über die von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt bewilligten Finanzmittel hinaus haben alle beteiligten Partner das Projekt mit Haushaltsmitteln und der Einbindung von zusätzlichem Personal unterstützt.
Das Projekt "Pilzsekretome zum effizienten Ligninaufschluss" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dortmund, Lehrstuhl Technische Biochemie durchgeführt. In Deutschland fallen im Rahmen der landwirtschaftlichen Produktion, der Holzverarbeitung und der Papierherstellung jährlich tausende Tonnen an Stroh- und Holzabfällen an. Diese verholzten Biomaterialien lassen sich allerdings nicht direkt verarbeiten, da die Hauptbestandteile der pflanzlichen Zellwand (Cellulose, Hemicellulosen und Lignin) ein komplexes und widerstandsfähiges, chemisch nur schwer zugängliches Netzwerk bilden. Höhere Pilze besitzen eine in der Natur einzigartige Ausstattung an extrazellulären Enzymen (das Sekretom), welche dieses Netzwerk unter schonenden und umweltkompatiblen Bedingungen aufzuschließen und damit die verschiedenen ökonomisch interessanten Grundbestandteile zugänglich zu machen vermag. In einem neuartigen interdisziplinären Projektansatz soll das extrazelluläre Enzymsystem zweier ausgewählter Pilze qualitativ und quantitativ untersucht werden. Um den in der Natur hocheffizient ablaufenden Kohlenstoffkreislauf abzubilden und gezielt für die biotechnische Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen nutzbar zu machen, werden die Instrumentarien der Biologie, der Chemie und der Verfahrenstechnik kombiniert. Durch die Produktion der Schlüsselenzyme in Pilzzellkulturen wird ein enzymatischer Werkzeugkasten generiert, der für die Bereitstellung von Spezialchemikalien, zur Zellstoffbleichung (Papierherstellung) und zur Produktion von Bioethanol eingesetzt werden kann.
Die im Rahmen des Projektes gewonnenen Erkenntnisse sind von grundlegender Bedeutung und richtungweisend für zukünftige Forschungsvorhaben. Durch eine sich gegenseitig ergänzende Kombination von Enzympräparaten verschiedener Pilze sowie kommerzieller Enzyme wurden erste effektive Enzymcocktails generiert, mit deren Hilfe die partielle Zerlegung von Rapsstroh unter schonenden und umweltfreundlichen Bedingungen gelungen ist. Die Schlüsselenzyme des Substrat-Aufschlusses von P. sapidus und X. polymorpha wurden massenspektrometrisch identifiziert und können nun aus cDNA-Banken kloniert werden. Im Fall von X. polymorphabesteht noch weiterer Forschungsbedarf; zwar ist es gelungen enzymatische Schlüsselaktivitäten anhand photometrischer Tests zu identifizieren, doch konnte aufgrund fehlender Sequenzinformationen in den verfügbaren Datenbanken keine eindeutige Zuordnung der gefundenen Proteinfragmente erfolgen. Dennoch wurde durch das vorliegende Projekt die Grundlage für eine zukünftige heterologe Expression der erforderlichen Schlüsselenzyme gelegt. Diese wiederum bildet die Voraussetzung für den industriellen Einsatz von maßgeschneiderten Enzymcocktails im größeren Maßstab. Durch einen gezielten und gerichteten enzymatischen Aufschluss des Lignocellulose-Polymers wird eine stoffliche Verwertung der entstehenden aromatischen Ligninfragmente möglich werden. Zur strukturellen Charakterisierung dieser Lignin-Abbauprodukte sollen zukünftig spezielle massenspektrometrische und chromatographische Methoden sowie moderne NMR-spektroskopische Verfahren zum Einsatz kommen.