{"id":52107,"date":"2018-04-24T07:23:02","date_gmt":"2018-04-24T05:23:02","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=52107"},"modified":"2018-04-24T09:02:35","modified_gmt":"2018-04-24T07:02:35","slug":"cellusome-plus-neuer-massgeschneiderter-ansatz-fuer-biokraftstoffe","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/cellusome-plus-neuer-massgeschneiderter-ansatz-fuer-biokraftstoffe\/","title":{"rendered":"CelluSome Plus: Neuer, ma\u00dfgeschneiderter Ansatz f\u00fcr Biokraftstoffe"},"content":{"rendered":"

Der Schl\u00fcssel f\u00fcr die Erzeugung fortschrittlicher Biokraftstoffe aus lignozellulosehaltiger Biomasse ist die effiziente Umwandlung der innerhalb der Zellw\u00e4nde enthaltenen Zellulose in fermentierbare Zucker \u2013 ein erheblicher Engpass f\u00fcr die Massenproduktion. Die effiziente Aufschl\u00fcsselung von Biomasse in Zucker, die als Verzuckerung bezeichnet wird, kann die Kosten des Verfahrens senken und zugleich die Menge der Ausgangsmaterialien verringern, die f\u00fcr die Erzeugung von Biokraftstoffen mit sanfteren oder k\u00fcrzeren Vorbehandlungszeiten ben\u00f6tigt werden.<\/strong><\/p>\n

Manche Mikroben haben nat\u00fcrliche Strukturen, die als Zellulosome bezeichnet werden und Zellulasen enthalten, Enzyme, die Zellulose wirksam in Zucker aufschl\u00fcsseln. Das von der EU finanzierte Projekt\u00a0CellulosomePlus<\/a> hat Designer-Zellulosome (DC) entwickelt, um aus dem organischen Anteil aus Siedlungsabfall (organic fraction of municipal solid waste, OFMSW) hohe Ertr\u00e4ge an fermentierbaren Zuckern zu erhalten und so bei geringen Verfahrenskosten fortschrittliche Biokraftstoffe zu erzeugen.<\/p>\n

Das Konsortium erzeugte die Basiskomponenten nat\u00fcrlicher Zellulosome sowie weitere lignozellulosehaltige Enzyme und beschrieb nach deren Anordnung in DC die Hydrolyse des OFMSW-Substrats. Au\u00dferdem untersuchte es die physiochemische, atomische und supramolekulare Struktur des Zellulosoms und die Interaktion seiner verschiedenen Bestandteile. \u201eDie Architektur eines Zellulosoms besteht aus einer nicht-katalytischen \u201eGer\u00fcst\u201c-Untereinheit, die \u201eCohesine\u201c tr\u00e4gt, erg\u00e4nzende Erkennungsmodule einer anderen Dom\u00e4neart namens \u201eDockerins\u201c, welche wiederum von den Enzymen getragen werden und deren Integration in den Komplex erm\u00f6glichen\u201c, erl\u00e4utert Projektkoordinator Dr. Mariano Carri\u00f3n-V\u00e1zquez.<\/p>\n

Neue Assays und Modelle entwickelt<\/h3>\n

Um die zellulosomalen und nicht-zellulosomalen Komponenten zu charakterisieren, die in den DC verwendet werden sollen, hat das Team einen standardisierten Enzym-Assay entwickelt. Ein weiterer Assay zur Bestimmung der enzymatischen Aktivit\u00e4t in Industriesubstrat zeigte, dass Zellulosome die lignozellulosehaltige Biomasse effizienter hydrolysieren als ein einzelnes, gereinigtes Enzym oder eine Mischung aus Enzymen. \u201eDiese Studien liefern ein tiefergehendes Verst\u00e4ndnis der Architektur, Nanomechanik und katalytischen Eigenschaften von Zellulosomen und der Logik hinter ihrer Konstruktion\u201c, sagt Dr. Carri\u00f3n-V\u00e1zquez.<\/p>\n

Modelle mit mehreren Skalen von der atomischen bis hin zur supramolekularen Stufe wurden verwendet, um die Struktur und Selbstorganisation des Zellulosoms zu untersuchen. Dr. Carri\u00f3n-V\u00e1zquez erkl\u00e4rt: \u201eDie Modelle lieferten neue Informationen zu den dynamischen Eigenschaften von Katalysatoren sowie den mechanischen Stabilit\u00e4ten, was zu neuen Ideen f\u00fcr Experimente und einer synergetischen Feedback-Schleife f\u00fcr die Erzeugung optimierter DC gef\u00fchrt hat.\u201c<\/p>\n

Das gewonnene Wissen \u00fcber nat\u00fcrliche Zellulosome und das sp\u00e4tere Screening ihrer Komponenten bot den Wissenschaftlern eine Plattform, auf der sie die Konstruktion der finalen DC testen k\u00f6nnen. Diese enthielten sowohl zellulosomale als auch nicht-zellulosomale Komponenten und wurden anhand der Labor- und auch der vorindustriellen Skala bewertet, um die optimale Aufschl\u00fcsselung des OFMSW-Industriesubstrats zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n

Vorteile f\u00fcr die europ\u00e4ische Biotechnologie<\/h3>\n

Die Projektpartners analysierten die Zellulosome von neun Bakterienspezies und erstellten eine Datenbank der zellulosomalen Komponenten. Die thermische Best\u00e4ndigkeit der wichtigsten zellulosomalen Enzyme wurde durch zuf\u00e4llige und semi-rationale Mutagenese erh\u00f6ht und ergab bessere Hydrolyseertr\u00e4ge. Die Wissenschaftler identifizierten au\u00dferdem die 3D-Strukturen von drei Glycosid-Hydrolasen und nutzten die Daten, um Rechenmodelle zu entwickeln. Dar\u00fcber hinaus wurden verschiedene Ans\u00e4tze zur Beschreibung der Interaktionen zwischen zellulosomalen Komponenten anhand einer Einzelmolek\u00fclkraftspektroskopie basierend auf Rasterkraftmikroskopiemethoden entwickelt, wodurch die Zeit zur Vorbereitung der Proben verringert und die Datenqualit\u00e4t und -vergleichbarkeit erh\u00f6ht wurde. Zudem stellten sie fest, dass die mechanische Stabilit\u00e4t von Ger\u00fcst-Cohesin-Modulen ein relevanter neuer Industrieparameter f\u00fcr die enzymatische Aktivit\u00e4t des Zellulosoms ist.<\/p>\n

Das Konsortium baute mehrere Module von Enzymen mit mehreren Dom\u00e4nen und DC, die ein detailgetreues Bild von zellulosomalen Anordnungen wiedergeben. Dazu z\u00e4hlten relevante Daten bez\u00fcglich der Thermostabilit\u00e4t und Substratspezifit\u00e4t der wichtigsten zellulosomalen Elemente.<\/p>\n

Das Team entwickelte ein DC aus zehn Komponenten, in dem die Aktivit\u00e4ten von Zellulase\/Xylanase mit drei Nebenenzymen kombiniert wurden. Au\u00dferdem erh\u00f6hte die Komplexbildung von Enzymen in optimierten DC die Hydrolyse von Modellsubstraten und der vorbehandelten, lignozellulosehaltigen Biomasse. \u201eDie Verwendung selbstorganisierter DC als Nanokatalysatoren wird den Branchen der europ\u00e4ischen Biotechnologie, die im transportbezogenen Sektor t\u00e4tig sind, sowie der chemischen Industrie, die sich mit der Verarbeitung von st\u00e4dtischen Abf\u00e4llen und Reststoffen aus den Branchen Agrar-Lebensmittel, Papier und Forstwirtschaft befassen, nutzen\u201c, bemerkt Dr. Carri\u00f3n-V\u00e1zquez.<\/p>\n

Ma\u00dfgeschneiderte DC f\u00fcr die verschiedenen lignozellulosehaltigen Biomasse-Reststoffe sollten helfen, die Verfahrenseffizienz zu verbessern und so die Fertigungskosten zu verringern. \u201eDiese neue Technologie wird auch die Abh\u00e4ngigkeit Europas vom \u00d6l reduzieren, KMU innerhalb der EU st\u00e4rken, die Schaffung von Arbeitspl\u00e4tzen anregen und die Umweltauswirkungen des Sektors f\u00fcr fortschrittliche Biokraftstoffe verringern.\u201c<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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