Characterization and engineering of lignin protein interactions

Mehr als 90 % der Biomasse besteht aus dem komplexen und chemisch wertvollen Grundstoff Holz. Um dessen Potential als Brenn-, Bau- und Grundstoff für chemische Synthese zu nutzen, entwickeln wir biokatalytische Methoden zur Modifikation von Lignocellulose. Die globale Photosyntheseleistung produziert jährlich gegen 100 Milliarden Tonnen Lignocellulose aus Kohlenstoffdioxid, Wasser und Sonnenenergie. Pilze und Bakterien mineralisieren beinahe die selbe Menge an Biomasse um daraus Energie und Nährstoffe zu gewinnen. Besonders Pilze vermögen also feste Biomasse effizient in wasserlösliche oder gasförmige Produkte umzusetzen. Die biochemischen Mechanismen dieser Abbauprozesse sind aber zu wenig erforscht, als dass deren industrielle Anwendungen bisher gelungen wären. Zum Beispiel wird Biopulping, also die Gewinnung von Zellulosefasern aus Holz durch Pilze, trotz intensiver Forschung nicht kommerziell angewendet. Molekulares Verständnis der biokatalytischen Zersetzung von Lignin und Lignocellulose durch Pilzenzyme ist eine wichtige Voraussetzung um den Rohstoff Holz angemessener Wertschöpfung zuzuführen. Lignocellulose ist ein fester Stoff und nur dessen Oberfläche ist für enzymatische Transformation zugänglich. Diese Eigenschaft, zusammen mit der chemischen Stabilität der Ligninpolymere macht Lignocellulose ein besonders schwieriges Substrat. Wir fragen: a) wie erkennen lignin-abbauende Enzyme die Oberfläche ihres Substrates? b) Wie verändert sich die Aktivität dieser Enzyme, wenn sie an der Substratoberfläche adsorbieren? c) Können lignin-erkennende Proteindomänen diesen Enzymen zu grösserer Aktivität verhelfen? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir verschiedene künstliche Proteine und Proteinkomplexe konstruieren und deren lignin-abbauende Aktivität charakterisieren. In einem nächsten Schritt werden wir prüfen, ob Lignocellulose ist eine wertvolle aber bisher chemisch schwer zugängliche Quelle von organischen Grundstoffen. Die Entwicklung biotechnologischer Methoden zur zielgerichteten Zerlegung oder Modifikation von Holz im industriellen Massstab, würde unserer Gesellschaft eine billige und lokal nachwachsende Ressource erschliessen.