Bioingenieure entwickeln neues Substrat zur Untersuchung holzzersetzender Enzyme

Forscher wollen den natürlichen und reichlich vorhandenen Rohstoff Holz in nützliche Materialien umwandeln. Eine zentrale Rolle dabei spielt eine in Pilzen vorkommende molekulare Maschine, die den komplexen Rohstoff in seine Grundbestandteile zerlegt.

Ein Forscher der Universität Kobe und sein Team waren die ersten, die ein Testfutter für die molekulare Pilzmaschine entwickelten, mit dem sie ihre naturnahe Wirkung beobachten konnten. Dies öffnet die Tür für Verbesserungen und die industrielle Anwendung. Die Bioingenieure veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Biochemische und biophysikalische Forschungskommunikation.

Biochemieingenieure wollen den reichlich vorhandenen und nachwachsenden Rohstoff Holz in Biokunststoffe, medizinisch relevante Chemikalien, Lebensmittelzusätze oder Treibstoffe umwandeln. Bislang stellt die komplexe Struktur des Holzes jedoch ein großes Hindernis dar.

„Holz besteht aus verschiedenen, chemisch verknüpften Materialien wie Lignin und Hemizellulose, die zunächst getrennt werden müssen, um als Ausgangsstoffe verfügbar zu werden“, erklärt Koh Sangho, Bioingenieur der Universität Kobe.

Mit anderen Worten: Das Holz muss geschält werden. Pilze verfügen über Enzyme, winzige chemische Maschinen, die dazu in der Lage sind. Um sie jedoch für den industriellen Einsatz zu verbessern und anzupassen, müssen wir verstehen, wie sie funktionieren. Den Forschern fehlte jedoch ein geeignetes Futter oder „Substrat“ für das Enzym, um seine Funktion zu untersuchen.

„Als Doktorand an der Shinshu-Universität gelang es mir nicht, mit dem üblicherweise verwendeten Testsubstrat das typische Diagramm der enzymatischen Reaktionsdynamik zu erstellen, das wir aus den Lehrbüchern kennen. Ich habe sogar den Forscher, der das Enzym zuerst entdeckt hatte, gefragt, was ich falsch gemacht hatte, aber er antwortete, dass ich nichts falsch gemacht hätte und dass meine Ergebnisse typisch für Versuche zur Charakterisierung dieses Enzyms seien“, erzählt Koh.

Davon motiviert entwickelten der junge Bioingenieur und sein Team ein neues Material, das die wesentlichen Strukturmerkmale des natürlichen Substrats des Enzyms beibehält und gleichzeitig einfach genug ist, um chemische Modifikationen und computergestützte Simulationen zu ermöglichen.

„Der Schlüssel zu unserer Fähigkeit, ein geeignetes Substrat herzustellen, lag darin, dass wir zuvor ein anderes Enzym gefunden hatten, mit dem wir sehr spezifische Hemicellulose-Fragmente herstellen konnten, die auf keine andere Weise produziert werden konnten. Nur mit diesen Fragmenten konnten wir ein geeignetes Testsubstrat chemisch synthetisieren“, erklärt Koh, warum bisher niemand sonst in der Lage war, das Enzym zu charakterisieren.

Als erstes Team war es ihnen möglich, die Wirkung des isolierten Enzyms in einer nahezu natürlichen Umgebung zu beobachten. Außerdem konnten sie als erste dessen Reaktionsgeschwindigkeit und Affinität bestimmen, wichtige Parameter für Bioingenieure, die mit Enzymen arbeiten.

Koh: „Als sich durch den Einsatz des von mir entwickelten Substrats eine lehrbuchmäßige Reaktionsdynamik ergab, war ich überglücklich. Damit können wir endlich die ‚wahre‘ Natur des Enzyms charakterisieren, verbessern und auch industriell anwenden.“

Ihre Computersimulationen zeigten, was den Unterschied zwischen früheren Versuchen und ihrem Ansatz ausmachte: Bislang hatten sich die Forscher jeweils nur auf die konkrete Stelle im Substrat konzentriert, an der es gespalten werden sollte, und so bestand das von ihnen verwendete Testsubstrat im Wesentlichen nur aus der Verbindungsstruktur.

Allerdings weist Kohs neu synthetisiertes Substrat noch immer einen kurzen Hemicelluloseschwanz auf, der an der Reaktionsstelle befestigt ist, und es stellte sich heraus, dass es dieser Schwanz ist, an den das Enzym bindet, wenn es seine Rolle erfüllt.

Da die Forscher nun klare Leistungsparameter und den Reaktionsmechanismus des Enzyms kennen, wollen sie in verschiedenen Pilzen nach besseren Alternativen suchen und versuchen, das Molekül chemisch zu verändern, um zu sehen, wie sich dies auf seine Leistung auswirkt. Darüber hinaus glauben die Forscher, dass ihr Testsubstrat auch eine Rolle bei der Untersuchung spielen wird, wie dieses Enzym zusammen mit anderen Enzymen die verschiedenen Bestandteile des Holzes trennt.

Koh kommt zu dem Schluss: „Wir glauben, dass dies ein bedeutender Schritt hin zur industriellen Anwendung des Prozesses zur Erzeugung nützlicher Chemikalien aus dieser reichlich vorhandenen natürlichen Ressource war.“