FWF - Cellulosome - Cellulose Abbau durch das Cellulosom

Einzelmolekülstudie des Zelluloseabbaus durch das Zellulosom Die nachhaltige Produktion von Treibstoffen, Chemikalien und Materialien aus erneuerbarer, pflanzlicher Biomasse ist ein zentrales Anliegen von globaler Bedeutung. Die möglichen Vorteile, für die Diversifizierung der Energieproduktion, die Reduktion von Schadstoffemissionen und die ländliche Entwicklung, haben langfristige Bedeutung für die Gesellschaft insgesamt. Biotechnologie-basierte Konzepte der Bioraffinerie werden dann eine bedeutende Rolle in zukünftigen Nutzungsszenarien spielen, wenn es gelingt, nachhaltige und kosteneffiziente Ansätze für den Abbau des komplexen lignozellulosischen Materials in weitverbreiteten Biomasse Rohstoffen, wie Resten und Abfällen aus Land- und Forstwirtschaft, zu entwickeln. Die meisten der aktuellen Bioraffineriekonzepte fokussieren auf fortschrittliche Biotreibstoffe, hauptsächlich Ethanol aber auch andere, die aus den durch enzymatiche Hydrolyse aus dem Rohstoff freigesetzten Zuckern hergestellt werden. Die ausgeprägte Widerstandsfähigkeit gegen enzymatischen Abbau der polysaccharidischen Bausteine der Biomasse, im besonderen jene von Zellulose, stellen ein hauptsächliches Hindernis dar, das jede erfolgreiche Prozesskonzeption überwinden muss. Neben effektiver Vorbehandlung der Biomasse ist ein effizient abbauendes Enzymsystem notwendig, um dieses Ziel zu erreichen. In der Natur gibt es zwei Paradigmen des enzymatischen Zelluloseabbaus: Zellulasen und das Zellulosom. Der Begriff der Zellulase steht breit für ein Konsortium an Polysaccharidhydrolasen, die sich in Spezifität und Wirkweise unterscheiden und synergistisch am Abbau von lignozellulosischen Substraten beteiligt sind. Enzyme aus Zellulase Systemen assemblieren typischerweise nicht zu größeren Proteinkomplexen. Das Zellulosom unterscheidet sich fundamental von Zellulasen. Es ist eine biologische Nanomaschine. Das Zellulosom stellt eine geordnete Ansammlung von Enzymen an einem Gerüstprotein dar. Es ist ein Megadalton großer Proteinkomplex, der aus mehreren enzymatischen Untereinheit besteht, die wiederum an einem nichtkatalytischen Gerüstprotein verankert sind. Die Polysaccharidhydrolasen des Zellulosoms scheinen im wesentlichen dieselben zu sein wie sie im Zellulase System gefunden werden. Die wesentliche wissenschaftliche Aufgabe des Projekts ist es, den Abbau von Zellulose durch das Zellulosom in seinen fundamentalen Grundlagen als Wirkung einer biologischen Nanomaschine besser zu verstehen und sichtbar zu machen. Die zugrundeliegende Forschunghypothese ist, dass sich das Zellulosom hinsichtlich seiner mechanistischen Wirkweise im Abbau von Zellulose, messbar im Nanometerbereich, grundsätzlich und fundamental von Zellulasen unterscheidet. Einzelmolekülstudien mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie werden eingesetzt, um die Dekonstruktion von Zellulose durch Zellulosom zu visualisieren. Das vollständige Zellulosom wird untersucht ebenso wie kleinere Fragmente, die als Mini- oder Designer Zellulosome bezeichnet werden. Die Dynamik des Enzymverhaltens an der Zelluloseoberfläche wird auf Einzelmolekülebene verfolgt. Der gleichzeitig stattfindende Abbau der Substratoberfläche wird untersucht. Neben seiner biologischen Bedeutung ist das Zellulosom von beträchtlicher industrieller Signifikanz. Das Zellulosom zeigt herausragende Effizienz im Abbau von zellulosischen Substraten. Es könnte daher eine zentrale Rolle in der Entwicklung von fortschrittlichen Ansätzen der Bioraffinerie spielen.