Erschlie\u00dfung neuer bakterieller ligninolytischer Enzyme<\/p>\n
Eine gro\u00c3\u0178e Herausforderung dieser Zeit stellt die Erschlie\u00c3\u0178ung erneuerbarer Energie- und Rohstoffquellen dar, da der steigende Energie- und Rohstoffbedarf einer stark wachsenden Weltbev\u00c3\u00b6lkerung zuk\u00c3\u00bcnftig nicht mehr allein \u00c3\u00bcber die endlichen fossilen Rohstoffressourcen gedeckt werden kann. Der gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178te Anteil an Chemiegrundstoffen wie Ethen, Propen, Benzol, Toluol oder Phenol und chemischen Produkten wie Klebstoffen oder Lacken werden bislang \u00c3\u00bcberwiegend auf Erd\u00c3\u00b6lbasis hergestellt. Eine erneuerbare, kosteng\u00c3\u00bcnstige und umweltfreundliche Alternative zur petrochemischen Herstellung dieser Produkte stellt deren Gewinnung aus pflanzenbasierten Kohlenhydraten und \u00c3\u2013len dar. Vor dem Hintergrund der Nutzungskonkurrenz um diese Rohstoffe mit der Nahrungs- und Futtermittelindustrie gewinnen lignifizierte Pflanzenroh- und Reststoffe zunehmend an Bedeutung. W\u00c3\u00a4hrend f\u00c3\u00bcr die Bestandteile Cellulose und Hemicellulose aufgrund ihrer leichten Hydrolysierbarkeit gute Verwertungsm\u00c3\u00b6glichkeiten existieren, gibt es f\u00c3\u00bcr den sehr best\u00c3\u00a4ndigen Ligninanteil bisher nur eingeschr\u00c3\u00a4nkte stoffliche Verwertungsm\u00c3\u00b6glichkeiten. Aus diesem Grund soll im Rahmen dieser Arbeit die stoffliche Nutzung des nat\u00c3\u00bcrlich vorkommenden Lignin-Makromolek\u00c3\u00bcls und seine biochemische Depolymerisation zu aromatischen Lignin-Oligomeren und Monomeren und deren Funktionalisierung untersucht werden. Hierf\u00c3\u00bcr werden neue enzymatische Verfahren mit neuen Enzymen verwendet, da diese im Vergleich zum thermochemischen Lignin-Abbau eine deutlich selektivere und \u00c3\u00b6ko-effizientere Depolymerisation erwarten lassen. Zur effizienten enzymatischen Depolymerisation von Lignin und zur Funktionalisierung der erhaltenen Lignin-Bausteine werden thermo- und pH-stabile Biokatalysatoren ben\u00c3\u00b6tigt.
Die meisten in der Literatur beschriebenen Forschungsarbeiten zum Ligninabbau wurden bislang an Wei\u00c3\u0178f\u00c3\u00a4ulepilzen durchgef\u00c3\u00bchrt. Bisher steht jedoch kein kommerzielles enzymatisches Verfahren zur Depolymerisation und Funktionalisierung von Lignin zur Verf\u00c3\u00bcgung. Hierbei ist es bislang noch nicht gelungen, die ligninolytischen pilzlichen Enzyme wie Mangan- und Lignin-Peroxidasen im industriellen Ma\u00c3\u0178stab \u00c3\u00b6konomisch herzustellen. Die Herausforderungen sind zum einen die Kultivierung und zum anderen die schwierige gentechnische Modifikation von pilzlicher DNA. Bakterielle ligninmodifizierende Enzyme sind bisher kaum erforscht. Sie sind im Vergleich zu pilzlichen Enzymen weitaus einfacher mit gentechnischen Methoden in etablierten bakteriellen Hochleistungsst\u00c3\u00a4mmen zu kultivieren, was die M\u00c3\u00b6glichkeit bietet diese auch industriell herzustellen. Diese Enzyme k\u00c3\u00b6nnten dann in industriellen Prozessen zur \u00c3\u00b6koeffizienten Lignin-Depolymerisation und -modifikation verwendet werden. Damit k\u00c3\u00b6nnte ein wesentlicher Beitrag zur vollst\u00c3\u00a4ndigen stofflichen Nutzung von Lignin geleistet werden. Durch die biochemische Depolymerisation von Lignin und Modifizierung der Ligninbausteine k\u00c3\u00b6nnten Synthesebausteine f\u00c3\u00bcr die Erzeugung von Polymeren, Klebstoffen und Lacken hergestellt werden und so erd\u00c3\u00b6lbasierte Vorprodukte ersetzen.
In dieser Arbeit werden verschiedene Ans\u00c3\u00a4tze zur Identifizierung neuer und Untersuchung potentieller ligninmodifizierender und ligninabbauender Enzyme verfolgt. Zum einen werden die katalytischen Eigenschaften von Dyp-type Peroxidasen untersucht, um deren m\u00c3\u00b6gliche Rolle im bakteriellen Ligninabbau aufzukl\u00c3\u00a4ren. Zudem werden zur Identifizierung von neuen Enzymen Screeningversuche mit Genombanken von ligninolytischen Bakterien durchgef\u00c3\u00bchrt und ein metagenomischer Ansatz aus Habitaten wie Kot oder Darminhalt von holzfressenden K\u00c3\u00a4fern verfolgt. Au\u00c3\u0178erdem werden die Genome ligninolytischer Bakterienst\u00c3\u00a4mme sequenziert und nach potentiellen ligninabbauenden und ligninmodifizierenden Enzymen durchsucht. Enzyme mit Eignung f\u00c3\u00bcr einen industriellen Prozess zur Lignindepolymerisation sollen in Hochleistungsst\u00c3\u00a4mmen exprimiert und im 30-Liter-Ma\u00c3\u0178stab fermentiert werden, wobei die Raum-Zeit-Ausbeute optimiert werden soll.
Die so gewonnenen Enzyme werden dann f\u00c3\u00bcr die Ligninmodifikation verwendet und die Abbauprodukte werden abschlie\u00c3\u0178end in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen der Fraunhofer-Gesellschaft und der Industrie hinsichtlich ihrer Eignung f\u00c3\u00bcr die Herstellung von Polymeren, Klebstoffen und Lacken untersucht und anwendungstechnisch charakterisiert.
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