Nachhaltiger Ansatz zur Umwandlung erneuerbarer pflanzlicher Ressourcen in defossilisierte Materialien
Die Länder vereinen sich im Kampf gegen den Klimawandel mit dem Ziel, die Treibhausgasemissionen bis 2030 drastisch zu senken und bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist der Aufbau von Volkswirtschaften, die sich auf erneuerbare Ressourcen stützen. Biologische Systeme recyceln auf natürliche Weise Treibhausgasemissionen und erzeugen dabei eine ganze Palette von Chemikalien und Materialien. Im Bereich der Biotechnologie und -produktion wird auf diese Fähigkeit zurückgegriffen, wobei Mikroorganismen und Enzyme genutzt werden, um erneuerbare Bioressourcen in Brennstoffe, chemische Grundstoffe und biobasierte Alternativen zu Kunststoffen umzuwandeln. Es ist zu erwarten, dass bis 2030 mit den diese Innovationen vorantreibenden Biotechnologien über 35 % der von uns täglich verwendeten Chemikalien und Materialien produziert werden. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts BioUPGRADE(öffnet in neuem Fenster) wurden Computerbiologie, Genomik und Materialwissenschaften integriert, um das Potenzial der Biotechnologie für eine nachhaltige Produktion weiterzuentwickeln, wobei Biokatalysatoren (Enzymen), die erneuerbare Fasern in hochwertige Produkte umwandeln, im Mittelpunkt stehen.
Aufwerten statt aufspalten
„Wir haben uns die Entwicklung von Biokatalysatoren zum Ziel gesetzt, mit denen erneuerbare Bioressourcen in wertvolle Materialien umwandelt werden, anstatt sie abzubauen“, erklärt Projektkoordinatorin Emma Master. „Traditionell werden Enzyme in der Biomasseverarbeitung eingesetzt, um Pflanzenmaterial in Zucker zu zerlegen, die dann zu Brennstoffen und Chemikalien vergoren werden. Dieses Paradigma, es ‚zuerst in etwas aufspalten‘ zu müssen, ist jedoch sowohl kostenintensiv als auch ineffizient im Sinne der Atomökonomie.“ Die fortgeschrittenen Enzyme von BioUPGRADE passen die natürliche Struktur der Biomasse derart an, dass sie sich für ein breiteres Spektrum an Verwendungszwecken eignet, etwa für Verpackungsmaterialien, leitfähige Tinten für die Bioelektronik und Hydrogele für Gesundheitsversorgung und Körperpflege. „Mit diesem Ansatz wird die Materialeffizienz verbessert und die Umweltbelastung im Vergleich zu traditionellen chemischen Verfahren reduziert“, fügt Master hinzu.
Natürliche Ressourcen besser nutzen
Ein Schwerpunkt der Forschungstätigkeit war die Entwicklung von Biokatalysatoren, die die Struktur und die chemischen Eigenschaften von natürlichen Materialien wie Zellulose, Hemizellulose und Chitin verändern können. Zu diesem Zweck analysierten die Forscherinnen und Forscher sowohl öffentlich zugängliche als auch interne genomische Datensätze. Sie setzten modernste Verfahren wie den Vergleich von Genomen verschiedener Arten vergleichende Genomik(öffnet in neuem Fenster), die Rekonstruktion vorzeitlicher Enzymsequenzen anzestrale Sequenzrekonstruktion(öffnet in neuem Fenster) und die Durchführung von Molekularsimulationen ein, um die Funktionsweise dieser Enzyme zu verstehen. Ein Schlüsselergebnis war ein rechnerisches Rahmenwerk, mit dem maßgeschneiderte multifunktionale Proteine entworfen werden und das dazu beiträgt, wichtige biophysikalische Merkmale von Enzymen zu ermitteln, die auf Materialoberflächen wirken. „Ein durchdachtes Design und die Implementierung anwendungsorientierter funktioneller Screens sind von zentraler Bedeutung für jegliche Rahmenwerke für die Biokatalysatorentwicklung“, stellt Master fest. „Zu diesem Zweck haben wir mikroskalige Plattformen geschaffen, mit denen Biokatalysatoren identifiziert werden, die präzise die physikalischen Eigenschaften wie Oberflächenladung, Porosität und Fließverhalten sowie die chemischen Merkmale wie das Hinzufügen von Carbonyl- oder Amingruppen, von strukturellen Polysacchariden modifizieren können.“
Anzestrale Enzyme für neue Anwendungen wiederbeleben
Ein herausragendes Beispiel für die Biokatalysatorentwicklung ist die Erschaffung und Erprobung anzestraler Enzyme, darunter Expansine, Endoglucanase und lytische Polysaccharid-Monooxygenase. Diese anzestralen Versionen wiesen einzigartige Eigenschaften auf, die bei modernen Enzymen nicht vorhanden und für biotechnologische Anwendungen von Vorteil sind. Es wurden außerdem beträchtliche Anstrengungen unternommen, um den Maßstab der Proteinerzeugung zu erweitern. In Bioreaktoren mit einem Volumen von fünf bis zweihundertn Litern wurden mikrobielle Expansine produziert, was ausreichend Material für erste Anwendungsversuche in der Zellulosefaserverarbeitung ergab. Mit dem Ansatz wird das Protein direkt in die extrazelluläre Umgebung exportiert, wodurch hohe Ausbeuten ohne des Erfordernis komplexer Reinigungsschritte möglich werden. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Rahmen von BioUPGRADE führte zu gezielteren, anpassungsfähigeren und besser vorhersehbaren Technologien zur Erschaffung funktioneller Materialien. Im Gegensatz zu traditionellen Verfahren, bei denen Pflanzenmaterial in Zucker aufgespalten wird, nutzt das Projektteam Enzyme, um ungenutzte Biomasse selektiv zu modifizieren, anstatt sie in Zucker umzuwandeln, wodurch die Ressourceneffizienz gesteigert und die Wiederverwendung im Sinne einer nachhaltigeren Bioökonomie unterstützt wird.
