Enzymologie des Xylosemetabolismus in Hefe - Xylosereduktase

Die Richtlinien der Europäischen Kommission stellen fest, dass bis zum Jahr 2010 Motorentreibstoffe mindestens 5.75% Biotreibstoff enthalten sollen. Es ist notwendig, bestehende Biotechnologien hinsichtlich ihrer Produktivität und Kosteneffizienz zu verbessern, um dieses Ziel zu erreichen. Ethanol ist neben Biodiesel der vielversprechendste Biotreibstoff der Zukunft für bestehende Automobiltechnologien. Er wird durch biologische Konversion unter Ausschluss von Sauerstoff, dem Prozess der mikrobiellen Fermentation, gewonnen. Unter den möglichen Rohstoffen für die Herstellung von Ethanol ist Lignocellulose in erneuerbarer pflanzlicher Biomasse von herausragender Bedeutung. Lignocellulose besteht aus den Polysacchariden Zellulose und Hemizellulose sowie Lignin und findet sich in riesigen Mengen in Abfällen aus der Land- und Forstwirtschaft und der Papier- und Zellstoffindustrie. Techno-ökonomische Analysen haben gezeigt, dass die wirtschaftlich sinnvolle Verwertung von Lignocellulose durch biotechnologische Prozesse davon abhängt, dass sowohl Zellulose als auch Hemizellulose in wertgesteigerte Produkte überführt werden. Während Glukose, der Grundbaustein von Zellulose, leicht zu Ethanol umgesetzt werden kann, stellt die Fermentation der Xylose, die Hauptkomponente von Hemizellulose, ein Problem dar, welches an der Grenzfläche von mikrobieller Physiologie und Prozesstechnik angesiedelt ist. Die klassische Bäcker- oder Brauereihefe kann Xylose nicht vewerten, ausser es werden dem Organismus durch molekularbiologische Methoden zusätzliche metabolische Fähigkeiten verliehen. Trotzdem produzieren "Designerstämme" wenig Ethanol und akkumulieren viele Nebenprodukte. Das Hauptproblem der ungenügenden Prozesseffizienz liegt darin, dass Redoxkofaktoren NAD und NADP während der Assimilierung der Xylose nicht rezykliert werden und damit eine Stresssituation für die Zelle erzeugt wird. Dieses Projekt hat sich mit jenem Enzym auseinandergesetzt, welches ursächlich für die genannte Problematik verantwortlich ist: Xylosereduktase. Die Resultate, welche aus einem Ansatz der biochemisch grundlagenorientiert war und eine intensive Kooperation mit einer kalifornischen Forschergruppe beinhaltete, hervorgegangen sind, führen zur Klärung der Funktionsweise des Enzyms und seiner Spezifitäten. Sie erlaubten die gezielte Herstellung von veränderten Enzymen mit verbesserten technologischen Eigenschaften und stellen die Basis für neue Projektansätze dar.