Isolierung und Charakterisierung extrem-thermophiler, Cellulose abbauender Bakterien

Voruntersuchungen haben gezeigt, dass es Bakterien gibt, die bei höherer Temperatur, als bisher angenommen wurde, Cellulose abbauen können. Die bisher erhaltenen Kulturen sollen gereinigt, neue Rein-Isolate gewonnen und charakterisiert werden: Taxonomie (PCR und DNA-Sequenzierung u.a. der 16S-rDNA), Genetik und Biochemie des Cellulose-Abbaus, und Charakterisierung der beteiligten Enzyme bzw. Enzym-Komplexe. Einzelne Gene sollen kloniert und in E. coli überexprimiert werden. Die gereinigten Enzyme sind biochemisch zu charakterisieren: Aktivitätsspektrum und Produktanalyse. Ein Vergleich mit den Enzymsystemen von Clostridium thermocellum und Anaerocellum thermophilum ist angestrebt.

Ein Aspekt dieses Projektes ist die Isolierung von thermophilen Cellulose-abbauenden Bakterien zur Hydrolyse von lignocellulosehaltiger Biomasse (LCB wie z.B. Gras) in einem Verbundprojekt mit anderen Lehrstühlen und mit Industriepartnern. Ein Bezug zur Praxis der Biogas-Produktion aus Biomasse soll hergestellt werden, wo die Hydrolyse des Substrates ein absoluter Flaschenhals ist.

Diese Arbeiten werden in mehrere Einzelprojekte aufgeteilt, die sich im Rahmen von Projektarbeiten beenden lassen. Zu diesem Thema gibt es Pläne zur Zusammenarbeit mit interessierten Firmen.

Aceton-Butanol-Fermentation mit Clostridien

Die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation (ABE) durch Bakterien hat eine lange Tradition (u.a. 1. Weltkrieg, Weizmann-Prozess). Vor allem das Butanol hat einen hohen Stellenwert in der derzeitigen Energiediskussion und einen relativ hohen Marktpreis (u.a. als Zusatz zum Benzin). Allerdings ist die umweltfreundliche Produktion aus nachwachsenden Rohstoffen derzeit gegen die Synthese aus Mineralöl (noch) nicht konkurrenzfähig. Neuere Forschungsanstrengungen zeigen aber deutlich positive Perspektiven auf, die eine Wiedereinführung des ABE-Prozesses möglich und erstrebenswert erscheinen lassen.

Auf der Basis der Genomsequenzen von C. acetobutylicum und C. beijerinckii, sowie wegen der neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Genetik der Clostridien und der Verfahrenstechnik (u.a. der Reinigungstechnik der Lösungsmittel) soll die Lösungsmittelproduktion aus lignocellulose-haltiger Biomasse in eine neue Entwicklungsphase gehen. Vor allem die Konzepte der Verknüpfung der enzymatischen in-situ-Hydrolyse mit gleichzeitiger Vergärung sind vielversprechend. Versuche dazu haben begonnen und sollen im Rahmen von Kurzprojekten weitergeführt werden.

Dabei werden zunächst neue Bakterienstämme isoliert, die aus LCB-Materialien Butanol produzieren. Die Stämme sollen Pflanzenfasern (Cellulose, Hemicellulose, Pectin etc.) hydrolysieren können. Sie werden isoliert und mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden charakterisiert (Phylogenie, Biochemie, Genetik). Weitere Untersuchungen und die Beantragung von Projekten (in internationaler Kooperation mit anderen Instituten) sind bereits im Gespräch.

Es gibt eine Zusammenarbeit mit der Universidad Nacional de Colombia in Bogotá und der Russian Academy of Sciences in Moskau, sowie mit Firmen.

In vitro Darstellung des extracellulären Enzymkomplexes von Clostridium thermocellum (Cellulosom) als Nanopartikel

Das Cellulosom ist das effektivste Enzymsystem für den Abbau kristalliner Cellulose, da es durch die Komplexbildung eine hohe lokale Konzentration der notwendigen Enzyme auf der Substrat-Oberfläche schafft, was einen ungewöhnlich starken Synergismus-Effekt erzeugt. Gleichzeitig ist dieser Komplex dadurch ein faszinierendes Forschungsobjekt, das aber durch die üblichen Methoden von Klonieren, Exprimieren und in-vitro-Assembly derzeit noch nicht nachzuahmen ist. Deshalb wird in diesem durch die FNR geförderten Projekt die Komplexbildung auf Nanopartikeln nachgeahmt, um dadurch Hinweise auf die Funktionsweise des Synergismus beim Abbau kristalliner Cellulose zu erhalten. Die soll in einem aktiven Enzymkomplex münden, der in der Lage ist, Cellulose-Präparationen aus der Aufarbeitung von Holz zu gewinnen, die bei der Herstellung von Zucker-Lösungen für die biologische Fermentation von Lösungsmitteln aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden können. Kooperation mit der DECHEMA und Firmen.

Optimierung des Biogas-Prozesses durch die Selektion von besser geeigneten hydrolytischen Bakterien

Bei der Fermentation von pflanzlicher Biomasse in Biogasanlagen ist noch ein großes ungenutztes Potential zur Verfahrensverbesserung gegeben, besonders wenn ausschließlich nachwachsende Rohstoffe wie Gras- oder Maissilage ohne Güllezusatz eingesetzt werden sollen. Besonders die Verbesserung der Effizienz der Hydrolyse des Pflanzenfaseranteils (Cellulose und Hemicellulose) birgt noch deutliche Optimierungsmöglichkeiten. Diese sollen für verschiedene Prozessvarianten durch Selektion geeigneter Mikroorganismenkulturen, sowie durch Definition optimaler Hydrolysebedingungen ausgeschöpft werden. Die vielfältigen Fragestellungen reichen von der Charakterisierung der beteiligten Enzyme bis hin zur molekularbiologischen Definition der Bakterien oder der Mitarbeit an der Konstruktion von Mikro-Arrays zur Messung der Enzymexpression.

Hierfür laufen mehrere Projekte, für die immer wieder Mitarbeiter/innen mit Biologie-, Mikrobiologie-, Molekularbiologie-, Biotechnologie-, oder Biochemie-Hintergrund gesucht werden.