Erschlie\u00dfung neuer bakterieller ligninolytischer Enzyme<\/p>\n
Eine gro\u00dfe Herausforderung dieser Zeit stellt die Erschlie\u00dfung erneuerbarer Energie- und Rohstoffquellen dar, da der steigende Energie- und Rohstoffbedarf einer stark wachsenden Weltbev\u00f6lkerung zuk\u00fcnftig nicht mehr allein \u00fcber die endlichen fossilen Rohstoffressourcen gedeckt werden kann. Der gr\u00f6\u00dfte Anteil an Chemiegrundstoffen wie Ethen, Propen, Benzol, Toluol oder Phenol und chemischen Produkten wie Klebstoffen oder Lacken werden bislang \u00fcberwiegend auf Erd\u00f6lbasis hergestellt. Eine erneuerbare, kosteng\u00fcnstige und umweltfreundliche Alternative zur petrochemischen Herstellung dieser Produkte stellt deren Gewinnung aus pflanzenbasierten Kohlenhydraten und \u00d6len dar. Vor dem Hintergrund der Nutzungskonkurrenz um diese Rohstoffe mit der Nahrungs- und Futtermittelindustrie gewinnen lignifizierte Pflanzenroh- und Reststoffe zunehmend an Bedeutung. W\u00e4hrend f\u00fcr die Bestandteile Cellulose und Hemicellulose aufgrund ihrer leichten Hydrolysierbarkeit gute Verwertungsm\u00f6glichkeiten existieren, gibt es f\u00fcr den sehr best\u00e4ndigen Ligninanteil bisher nur eingeschr\u00e4nkte stoffliche Verwertungsm\u00f6glichkeiten. Aus diesem Grund soll im Rahmen dieser Arbeit die stoffliche Nutzung des nat\u00fcrlich vorkommenden Lignin-Makromolek\u00fcls und seine biochemische Depolymerisation zu aromatischen Lignin-Oligomeren und Monomeren und deren Funktionalisierung untersucht werden. Hierf\u00fcr werden neue enzymatische Verfahren mit neuen Enzymen verwendet, da diese im Vergleich zum thermochemischen Lignin-Abbau eine deutlich selektivere und \u00f6ko-effizientere Depolymerisation erwarten lassen. Zur effizienten enzymatischen Depolymerisation von Lignin und zur Funktionalisierung der erhaltenen Lignin-Bausteine werden thermo- und pH-stabile Biokatalysatoren ben\u00f6tigt.
Die meisten in der Literatur beschriebenen Forschungsarbeiten zum Ligninabbau wurden bislang an Wei\u00dff\u00e4ulepilzen durchgef\u00fchrt. Bisher steht jedoch kein kommerzielles enzymatisches Verfahren zur Depolymerisation und Funktionalisierung von Lignin zur Verf\u00fcgung. Hierbei ist es bislang noch nicht gelungen, die ligninolytischen pilzlichen Enzyme wie Mangan- und Lignin-Peroxidasen im industriellen Ma\u00dfstab \u00f6konomisch 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\u00e4mmen zu kultivieren, was die M\u00f6glichkeit bietet diese auch industriell herzustellen. Diese Enzyme k\u00f6nnten dann in industriellen Prozessen zur \u00f6koeffizienten Lignin-Depolymerisation und -modifikation verwendet werden. Damit k\u00f6nnte ein wesentlicher Beitrag zur vollst\u00e4ndigen stofflichen Nutzung von Lignin geleistet werden. Durch die biochemische Depolymerisation von Lignin und Modifizierung der Ligninbausteine k\u00f6nnten Synthesebausteine f\u00fcr die Erzeugung von Polymeren, Klebstoffen und Lacken hergestellt werden und so erd\u00f6lbasierte Vorprodukte ersetzen.
In dieser Arbeit werden verschiedene Ans\u00e4tze 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\u00f6gliche Rolle im bakteriellen Ligninabbau aufzukl\u00e4ren. Zudem werden zur Identifizierung von neuen Enzymen Screeningversuche mit Genombanken von ligninolytischen Bakterien durchgef\u00fchrt und ein metagenomischer Ansatz aus Habitaten wie Kot oder Darminhalt von holzfressenden K\u00e4fern verfolgt. Au\u00dferdem werden die Genome ligninolytischer Bakterienst\u00e4mme sequenziert und nach potentiellen ligninabbauenden und ligninmodifizierenden Enzymen durchsucht. Enzyme mit Eignung f\u00fcr einen industriellen Prozess zur Lignindepolymerisation sollen in Hochleistungsst\u00e4mmen exprimiert und im 30-Liter-Ma\u00dfstab fermentiert werden, wobei die Raum-Zeit-Ausbeute optimiert werden soll.
Die so gewonnenen Enzyme werden dann f\u00fcr die Ligninmodifikation verwendet und die Abbauprodukte werden abschlie\u00dfend in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen der Fraunhofer-Gesellschaft und der Industrie hinsichtlich ihrer Eignung f\u00fcr die Herstellung von Polymeren, Klebstoffen und Lacken untersucht und anwendungstechnisch charakterisiert.
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