Effizientere Umsetzung von Lignocellulose Biokraftstoff aus Sägespänen – Modell optimiert Reaktion

Autofahren ohne Erdöl? Eine Möglichkeit dazu sind Biokraftstoffe wie Bioethanol. Diese können aus Abfällen wie Stroh, Getreidespelzen oder Sägespänen hergestellt werden. Damit Mikroorganismen die nötigen Umwandlungsreaktionen möglichst effizient erledigen, haben Forscher nun ein Modell entwickelt, mit dem sich die Rezepte zur Befüllung von Bioreaktoren optimieren lassen.

Duisburg, Essen – Biokraftstoff entsteht per Definition aus biologischen Quellen, die oft auch als Nahrungsmittel genutzt werden könnten, wie Mais, Zuckerrüben oder Sojabohnen. Nachhaltiger ist eine Produktion auf Basis von Lignocellulose, welche die holzigen Anteile in Pflanzen ausmacht. Dieser Naturstoff fällt oft als Abfallprodukt etwa im Sägewerk an und hätte in der Kraftstoffproduktion eine sinnvolle Verwendung.

Der Weg vom Pflanzenrest zum Biokraftstoff geht allerdings nur über mehrere Zwischenschritte. So führt er über so genannte Hexosen oder Pentosen, also Sechs- oder Fünffachzucker wie z.B. Glukose oder Xylose. Ein Mikroorganismus kann in der Regel entweder das eine oder das andere umsetzen. Fünffachzucker sind ein Problem für die gängigen biotechnologisch genutzten Mikroben: Selbst wenn diese mit den benötigten Enzymen ausgestattet werden, sammeln sich zum Beispiel Zwischenprodukte an, die den Organismus lahmlegen oder nachfolgende Reaktionen hemmen.

Rezept für optimale Reaktionsbedingungen

Daher haben sich Wissenschaftler um Prof. Dr. Bettina Siebers und Dr. Jochen Niemeyer von der Universität Duisburg-Essen sowie Jacky Snoep von der südafrikanischen University of Stellenbosch mit einer Reaktionskette aus fünf Enzymen beschäftigt, in der Xylose zu einem wertvollen Zwischenprodukt auf dem Weg zum Biotreibstoff umgewandelt wird: dem so genannten Weimberg-Weg. Ihr am Computer entstandenes Modell erlaubt es, eine optimale Reaktionskette im Reagenzglas zu designen. Die Ergebnisse aus ihrem Modell haben die Forscher jeweils im anschließenden Experiment bestätigt bzw. das Modell korrigiert und optimiert. Nun liefert es eine Anleitung für jedes einzelne Enzym: Von der benötigten Menge, über die optimale Inkubationszeit bis hin zu möglichen benötigten Cofaktoren wie z.B. Metallionen.

Der Industriepartner Sigma-Aldrich (Merck) setzt ein Enzym des Weimberg-Weges bereits in der Produktion ein. Aber auch anderen Wissenschaftlern steht das Modell der UDE-Forscher über Open-Source-Webplattformen zur Verfügung (vgl. Originalpublikation). So kann das Modell dazu beitragen, die Entwicklung von Biokraftstoffen aus Sägespänen, Stroh oder Getreidespelzen voranzutreiben.

Zellulosebasierte Gegenstände

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Originalpublikation: Lu Shen, Martha Kohlhaas, Junichi Enoki, Roland Meier, Bernhard Schönenberger, Roland Wohlgemuth, Robert Kourist, Felix Niemeyer, David van Niekerk, Christopher Bräsen, Jochen Niemeyer, Jacky Snoep & Bettina Siebers: A combined experimental and modelling approach for the Weimberg pathway optimisation, Nature Communications volume 11, Article number: 1098 (2020) ; DOI: 10.1038/s41467-020-14830-y

* B. Vierjahn, Cenide – Center for Nanointegration Duisburg-Essen, 47057 Duisburg

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