Entwicklung wissenschaftlicher Grundlagen zur Konversion von Lignin zu nutzbaren Monomeren als Kraftstoff-Komponenten durch kombinierte katalytische und Membranfilter-Verfahren

• Antragsteller: Professor Dr. Johann Heider
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448858389

Das Projekt soll ein Biokatalyse-System für die Reduktion organischer Säuren zu Alkoholen entwickeln, das bei der Konversion von Lignozellulose zu Biokraftstoff zur Erhöhung der Produktmengen führt. Organische Säuren sind wesentliche initiale Produkte des chemischen oder biologischen Ligninabbaus, sind aber nur bedingt nützlich für weiterführende Prozessierung und hemmen diese sogar oft. Deshalb soll ein biotechnisches Konversionssystem entwickelt werden, das diese Säuren zu Alkoholen reduziert und so die Ausbeute an nutzbareren Monomeren aus erneuerbaren Rohstoffen erhöht. Wir werden einen synthetischen Stoffwechselweg konstruieren, der aus einer unspezifischen Wolfram-haltigen Aldehyd-Oxidoreduktase (AOR) und Alkohol-Dehydrogenasen (ADH) verschiedener Spezifität besteht, die zusammen komplexe Mischungen von aliphatischen und aromatischen Säuren zu den entsprechenden Alkoholen reduzieren sollen. AOR ist das einzige bekannte Enzym, das nicht-aktivierte Säuren zu den jeweiligen Aldehyden reduziert, die dann durch eine Mischung von verschiedenen ADHs weiter zu Alkoholen reduziert werden, so dass eine große Vielfalt von Substraten erfasst wird. Wir werden hierfür ein Ganzzell-System aus einem bakteriellen Wirtsstamm entwickeln, der die notwendigen W-Enzyme in aktiver Form synthesieren kann (z. B. Thauera oder Aromatoleum Arten). Die Zellen werden die Gene für AOR und mehrere ADHs auf einem Expressionsplasmid mit breitem Wirtsbereich enthalten, um die Präsenz hoher Aktivitäten dieser Enzyme in Zellen sicherzustellen, die vorab unter induzierenden Bedingungen angezogen werden. Diese Zellen werden dann in der Form ruhender Zellsuspensionen für die Säurereduktion genutzt, können aber ebenfalls für Experimente mit permeabilisierten Zellen oder Zellextrakten verwendet werden. Um die Versorgung mit Redoxäquivalenten für die Säurereduktion zu gewährleisten, werden wir verschiedene mögliche Reduktionsmittel austesten, sowohl künstliche Verbindungen wie Ti(III)-citrat oder Dithionit, als auch biologisch relevante Elektronendonatoren wie Formiat, Wasserstoff oder Glutamat. Enzyme, die die letzteren Verbindungen oxidieren und damit Elektronen für die Säurereduktion bereitstellen können, wurden bereits in ausreichenden Aktivitäten in den Ziel-Organismen nachgewiesen. Um ihre Mitwirkung bei dem erwünschten Konversionsprozess sicherzustellen, werden wir diese Enzyme weiter charakterisieren bzw. die Aktivitäten im Bedarfsfall durch entsprechende rekombinante Enzyme ergänzen. Schließlich werden die erhaltenen rekombinanten Zellen über HPLC-Analyse auf ihre Eignung für den vorgesehenen Biokatalyse-Prozess getestet und weiter optimiert. Dabei werden zunächst definierte Säuren getestet, später Säuremischungen und natürliche Gemische aus Ligninhydrolysaten. Die entsprechenden Ansätze sollen ebenfalls von den russischen Partnern zur Optimierung der Bedingungen der Alkohol-Extraktion durch Membranseparation genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Netrusov