Biokraftstoff-Enzyme sind heiß

Die Katalyse spielt bei vielen Industrieprozessen eine bedeutende Rolle. Sie beschleunigt die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, indem die zum Bewerkstelligen der Reaktion erforderliche Energie herabgesetzt wird. Enzyme sind eine vielversprechende umweltfreundliche Alternative zu synthetischen Stoffen, aber bislang werden nur sehr wenige industriell hergestellt. Findet oder erzeugt man Enzyme, die unter den erforderlichen hohen Temperaturen stabil sind, hätte dies weitreichende Nutzeffekte.

Die Suche nach hitzebeständigen Enzymen gab den Anstoß für das EU-finanzierte Projekt HOTZYME (Systematic screening for novel hydrolases from hot environments). Die Projektwissenschaftler setzten modernste Metagenom-Screeningverfahren ein, um die Proteinfunktion der kollektiven Genome von Mikroben innerhalb von deren natürlicher Umgebung vorherzusagen. Der Genpool, an dem Interesse besteht, stammt von Mikroben, die in heißen terrestrischen Umgebungen leben. Man sucht hier nach Hydrolasen. Diese Enzyme katalysieren die Hydrolyse, d.h. die Spaltung eines Moleküls durch die Zugabe von Wasserstoff und Hydroxylgruppen.

Die Projektpartner fanden vielversprechende enzymatische Abbauaktivität in einigen Isolaten, die aus heißen Umgebungen rückgewonnen wurden. Dazu zählte die Isolierung eines Thermus-Stamms, der bei hohen Temperaturen Xylan abbauen kann, und eines Thermoanaerobacters, der Widerstand gegenüber Epoxid aufweist. Aus Umweltproben gewann man zwei zusätzliche Metagenome.

Weitere Projektleistungen sind die Entwicklung von Proteinklassifizierern und eines Tracking-Systems für Proben, Stämme und Bibliotheken. Die Wissenschaftler entwickelten verschiedene Screening-Methoden zum schnellen Screening der Lactonase- und Hydrolaseenzyme. Man klonte diese Enzyme und charakterisierte sie auf ihre Substratspezifität und funktionale Aktivität hin. Außerdem wurden acht Expressionsbibliotheken aufgebaut und einem funktionellen Screening auf neue Hydrolasen unterzogen.

Das Konsortium identifizierte eine neue Cellulose, die für die auf Biomasse basierende Bioethanolproduktion und in der Papierzellstoffindustrie angewendet werden kann. Es bietet erhebliche Vorteile für die Umwelt durch die Vermeidung von fossilen Brennstoffen, wodurch der Anstieg des atmosphärischen Treibhausgases (insbesondere Kohlendioxid) reduziert und die Luftqualität verbessert werden würde. Hyperthermostabile Protease, die aus dem neuen Thermococcus-Genom identifiziert wurde, zeigt ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung von Waschpulver und für die Lebensmittelverarbeitung für Tiere.

HOTZYME lieferte Erkenntnisse in Hinsicht auf die Existenz von Enzymen, die bei hohen Temperaturen wirkungsvoller als die durch Pilze produzierten Enzyme sind. Darüber hinaus stellt die große biologische Vielfalt, die das Konsortium aufgedeckt hat, ein reiches Reservoir für die weitere Nutzung dar.