Potential applications of laccase-mediator-systems for biorefinery purposes

Roth, Simon; Spieß, Antje (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Im Rahmen der dieser Promotionsschrift zugrunde liegenden Studie wurden mögliche Prozessanwendungen pilzlicher Laccasen in Kombination mit Redoxmediatoren (sog. Laccase-Mediator-Systeme, LMS) im Kontext einer modernen Bioraffinerie untersucht. Das Projekt wurde als Teil des Exzellenzclusters „Tailor-made Fuels from Biomass“ (TMFB) durchgeführt.Zeitgemäße Konzepte für Bioraffinerie-Prozesse streben die Nutzung lignocellulotischer Biomasse als Rohstoff zur Gewinnung von Treibstoffen und Plattformchemikalien an. Für die weitere Verwertung muss Lignocellulose jedoch zunächst energieaufwendig vorbehandelt und desintegriert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz von Laccase-Mediator-Systemen für die Vorbehandlung von Biomasse erprobt. Es konnte gezeigt werden, dass die enzymatische Vorbehandlung von unbehandeltem Buchenholz mit LMS einen positiven Einfluss auf die nachfolgende enzymatische Hydrolyse der Cellulose hat. Dieser Effekt war jedoch nur zu beobachten, wenn die LMS-Vorbehandlung mit einer nachfolgenden Gefriertrocknung kombiniert wurde. So konnte eine Steigerung der Glucose-Ausbeuten um den Faktor 1,3 erzielt werden. Es ist davon auszugehen, dass die Gefriertrocknung der Lignocellulose zwar zu einer Auflockerung der Struktur der Biomasse und somit zu einer Vergrößerung der Oberfläche führt, damit aber auch mehr Lignin zugänglich wird, welches Cellulasen unproduktiv bindet. Es wird angenommen, dass eine LMS-Behandlung die unproduktive Bindung der Cellulasen an Lignin durch oxidative Modifikationen reduziert. Mit Hilfe des Fluoreszenzproteins mCherry konnte bestätigt werden, dass die unspezifische Proteinadsorption an die Oberfläche von Buchenholz durch LMS-Vorbehandlung signifikant reduziert wird. Vor dem Hintergrund dieser Ergebnisse stellte sich die LMS-Vorbehandlung als eine vielversprechende Möglichkeit heraus, um physikalisch-chemisch vorbehandelte Biomasse für eine nachfolgende, möglichst effiziente enzymatische Hydrolyse zu konditionieren. Um Biomasse hinsichtlich der Zugänglichkeit von Cellulose für Cellulasen und den Einfluss von Vorbehandlungsverfahren auf diesen Parameter weitergehend zu charakterisieren, wurden fluoreszierende Proteinsonden mit einem cellulose-bindenden Motiv (CBM) aus C. fimi entwickelt und getestet. Eine Quantifizierung der Bindungsstellen war jedoch nicht erfolgreich, da die unspezifische Bindung der Sonden an Lignocellulose die CMB-vermittelte cellulosespezifische Bindung überdeckt. Weiterhin wurde das Potential LMS-katalysierter Prozesse für die enzymatische Depolymerisation von Lignin im Kontext einer modernen Bioraffinerie validiert. Dafür wurden zunächst geeignete Reaktionsbedingungen identifiziert und der Einfluss von vier Lösemitteln sowie zwei Redoxmediatoren auf die Stabilität von zwei pilzliche Laccasen untersucht. Unter den daraus abgeleiteten bestmöglichen Reaktionsbedingungen wurde die enzymatische Depolymerisation von Organosolv-Lignin mit LMS erprobt und der Einfluss von LMS auf Lignin mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) verfolgt. Unter keinen der getesteten Bedingungen konnte jedoch eine LMS-katalysierte Lignin-Spaltung beobachtet werden, vielmehr führte die Inkubation mit LMS zu einer Aufpolymerisation des Lignins.

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