Forscher isolieren neue Arten von Mikroorganismen, die Etherbindungen in Verbindungen auf Ligninbasis spalten

Lignin, ein Hauptbestandteil der Zellwände von Pflanzen, wird im Boden natürlich abgebaut. Die Identifizierung neuer Mikroorganismen, die an diesem Abbau beteiligt sind, kann dazu beitragen, neuartige Ligninabbauprozesse in industriellen Umgebungen zu entwickeln. Jetzt haben Forscher der Tokyo University of Science acht Mikroorganismen isoliert, die die Lignin-Modellverbindung 2-Phenoxyacetophenon (2-PAP) abbauen. Sie fanden heraus, dass eine dieser Mikroben ein neues, nicht identifiziertes Enzym verwendet, um die Etherbindungen in 2-PAP zu spalten, was zur Bildung von Phenol und Benzoat führt.

Wie alle bekannten Lebensformen haben Pflanzen einen Körper aus organischem Material, einschließlich Zellwänden, die aus verschiedenen Komponenten bestehen, darunter Lignin, ein heterogenes Polymer. Lignin ist die zweithäufigste organische Substanz auf der Erde mit großem Potenzial für die Herstellung von Industriechemikalien, wie z. B. Aromaten.

Chemisch besteht Lignin aus mehreren Untereinheiten, die durch „Ether“- und „Kohlenstoff-Kohlenstoff“-Bindungen verbunden sind, die alle für den Ligninabbau abgebaut werden müssen. Es ist allgemein bekannt, dass Mikroorganismen Etherbindungen effektiv durch die Produktion von extrazellulären Enzymen spalten, die den Ligninabbau unterstützen. Zwei Mikroben, die diesen Abbau durchführen, wurden identifiziert: Weißfäulepilze durch die Produktion von Peroxidasen und Laccasen und Sphingomonadenbakterien mit Hilfe von intrazellulären Enzymen.

Diese Entdeckungen weckten bei einem Forscherteam, darunter Dr. Toshiki Furuya und Ms. Saki Oya von der Tokyo University of Science sowie Dr. Hiroshi Habe vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tokyo, die Neugier, ob es noch weitere Unbekannte gibt Mikroorganismen, die Lignin durch verschiedene Enzyme abbauen. Die Identifizierung dieser Mikroorganismen und das Herausfinden, wie sie Lignin abbauen, könnte das allgemeine Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs verbessern und die biotechnologischen Anwendungen dieser Mikroorganismen für die Kommerzialisierung von Lignin erleichtern. Das Team erkannte auch, dass sich keine der früheren Studien darauf konzentriert hat, wie Mikroorganismen 2-PAP umwandeln oder abbauen.

Um eine Antwort auf diese Fragen zu finden, führten Dr. Furuya und sein Team eine Studie durch, die in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Berichte, um Mikroorganismen zu screenen, die neue Enzyme verwenden, die Etherbindungen spalten, um 2-PAP umzuwandeln. Das Team verwendete zunächst ein direktes Screening-Verfahren, um Mikroorganismen basierend auf ihrer Aktivität zur Spaltung von Etherbindungen aus dem Boden zu isolieren, indem es sie auf einem Medium wachsen ließ, das Huminsäure, eine aus dem Boden stammende organische Verbindung, als Kohlenstoffquelle enthielt. Als nächstes inkubierten sie die isolierten Mikroorganismen mit 2-PAP, um spezifisch auf 2-PAP-Etherbindungsspaltungsaktivität zu prüfen. Die Bindungsspaltungsaktivität wurde in Abhängigkeit von der Anwesenheit von Phenol bestätigt, das im Allgemeinen als Ergebnis einer Etherbindungsspaltung erzeugt wird.

Dies führte zur Isolierung von nicht einem, sondern acht 2-PAP-transformierenden Mikroorganismen. Dazu gehörten sieben Bakterien der Gattung Acinetobacter, Cupriavidus, Nocardioides und Streptomyces sowie ein Pilz der Gattung Penicillium. „Nach unserem Wissen sind dies die ersten Mikroorganismen, von denen gezeigt wurde, dass sie die Etherbindung von 2-PAP spalten“, betonte Dr. Furuya, als er zu diesen Entdeckungen befragt wurde.

Unter den isolierten Mikroorganismen untersuchte das Team ein gramnegatives Bakterium, Acinetobacter sp. TUS-SO1 im Detail und entdeckte, dass es selektiv und oxidativ Etherbindungen in 2-PAP spaltet, um Phenol und Benzoat zu produzieren. Dies war besonders überraschend, da β-Etherase, ein gut untersuchtes Enzym, von dem bekannt ist, dass es diese Spaltung durchführt, Phenol und Acetophenon ergibt. Dies impliziert, dass dieser Bakterienstamm die Etherbindung von 2-PAP unter Verwendung eines nicht identifizierten Enzyms spaltet.

Auf die Frage nach den Implikationen dieser Ergebnisse sagt Dr. Furuya: „Diese neu identifizierten Mikroorganismen könnten eine wichtige Rolle beim Abbau von Lignin-basierten Verbindungen in der Natur spielen. Indem wir die Eigenschaften dieser Mikroorganismen klären, können wir sie auf Lignin-basierte anwenden Verbindungen zur Erzeugung aromatischer Verbindungen als Alternative zu Erdöl. Darüber hinaus können sie zur Verwertung von Lignin genutzt werden, insbesondere zur Umwandlung von niedermolekularen Verbindungen mit ähnlichen chemischen Strukturen wie 2-PAP.“

Wie ist die Technik zur Identifizierung von Lignin-abbauenden Mikroorganismen langfristig sinnvoll? Laut den Autoren kann diese etablierte Suchtechnologie breit angewendet werden, um nach Mikroorganismen zu suchen, die eine Spaltungsaktivität gegenüber anderen Etherverbindungen, wie beispielsweise Umweltschadstoffen, aufweisen.

Diese Entdeckungen sind in der Tat spannend und können nicht nur zu Entwicklungen in Industrien führen, die Lignin verwenden, sondern auch zur Minderung der Auswirkungen von Umweltschadstoffen.