Pilzenzyme beschleunigen eine Revolution im europäischen Biotechnologiesektor
Pflanzliche Biomasse ist eine Fundgrube nützlicher Moleküle, die in Mehrwertprodukte umgewandelt werden können. Pflanzliche Biomasse verfügt genau wie fossile Brennstoffe, die aus einst lebenden Organismen stammen, über ein Kohlenstoffgerüst und kann auch Petrochemikalien ersetzen, welche den Ursprung wichtiger Verbindungen bilden. Das EU-finanzierte Projekt EnzOx2 nutzte Pilze und ihre oxidativen Enzyme (Oxidasen und Peroxygenasen), deren kommerzielles Potenzial weitgehend unerforscht ist, um aus Biomasse nachhaltig Mehrwertverbindungen herzustellen. Dabei hat das Projekt EnzOx2 die europäische Zusammenarbeit zwischen Forschungs- und Industrieakteuren gestärkt.
Eine Instrumentarium mit Pilzenzymen
EnzOx2 zielte auf Reaktionen ab, die zu Verbindungen führten, welche für die industriell wichtigen Sektoren wie Kunststoffe, Arzneimittel sowie Duft- und Aromastoffe relevant sind. Projektkoordinator Angel T. Martinez vom Margarita Salas Zentrum für biologische Forschung, einem der größten und renommiertesten Forschungszentren des Spanischen Nationalen Forschungsrats, erklärt: „Die EnzOx2-Partner nutzten zunächst die größtenteils unausgeschöpfte Vielfalt von Oxidoreduktasen in Pilzen aus speziellen Lebensräumen und von Oxidoreduktase-Genen in sequenzierten Pilzgenomen, um neue interessante Enzyme zu erhalten. Dann wurden die katalytische Wirksamkeit, Selektivität und/oder Stabilität der besten Enzymkandidaten mithilfe von Protein-Engineering-Instrumenten an die erforderlichen Reaktionsbedingungen angepasst.“
Ein nachhaltiger Weg zu nachhaltigen Kunststoffen
2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) ist eine der zwölf wichtigsten Wertschöpfungschemikalien aus Biomasse, da sie ein erneuerbares Vorprodukt für die Herstellung von Poly(ethylen-2,5-furandicarboxylat) (PEF) ist. PEF ist ein Polymer, das das aus Erdöl gewonnene Polyethylenterephthalat (PET) ersetzen und die Herstellung nachhaltiger Kunststoffe ermöglichen soll. EnzOx2 entwickelte drei Wege zur Herstellung von FDCA aus 5-(Hydroxymethyl)furfural (HMF) oder 5-Methoxymethylfurfural (MMF). Das Team optimierte die zuvor entwickelte Kaskade mit zwei Enzymen für die Umwandlung von HMF in FDCA und schlug eine neue Kaskade mit zwei Oxidasen und einer Peroxygenase vor. Die Forschenden erreichten auch eine Umwandlung von 99 %. Dabei wurde eine Oxidase in Gegenwart einer Katalase verwendet, um das erzeugte Wasserstoffperoxid zu entfernen, das den letzten Oxidationsschritt hemmt. Da die Herstellung von FDCA-basierten Biokunststoffen in großem Maßstab auf MMF basieren wird, wurde hierfür eine selbsttragende Kaskade mit drei Enzymen entwickelt und patentiert.
Von Lipiden abgeleitete Moleküle für Arzneimittel, Lebensmittel und Duftstoffe
Unbestimmte Peroxygenasen ermöglichten eine Fülle von aus Biomasse-Lipiden stammenden Verbindungen. Zu den vielen Ergebnissen gehört ein Patent für die kontrollierte Verkürzung von Fettsäuren-Ketten mit einem Kohlenstoffatom – eine neuartige Reaktionschemie, mit der in der Natur selten vorkommende maßgeschneiderte Säuren hergestellt werden könnten. In Bezug auf die Umwandlung von Steroiden fanden die Forschenden eine Peroxygenase, welche die selektive Oxygenierung von Testosteron zur Herstellung von 4-Hydroxytestosteron katalysiert – einen aktiven pharmazeutischen Wirkstoff, der für die Synthese von Medikamenten gegen Brustkrebs verwendet wird. Diese Reaktion wurde kürzlich hochskaliert und für die industrielle Umsetzung positiv bewertet. Peroxygenasen ermöglichten auch die patentierte selektive Synthese von 4-Hydroxyisophoron und 4-Ketoisophoron, die sowohl für den Arzneimittelsektor als auch die Duft- und Aromastoffindustrie von Interesse ist. Martinez fasst zusammen: „In den letzten 30 Jahren haben sich Arbeitsplätze und Produkteinnahmen in der biobasierten chemischen Industrie zunehmend von Europa nach Asien verlagert. EnzOx2 verändert die Industrie. Wir haben Pilzenzyme identifiziert und/oder konstruiert, um komplexe Moleküle für Spezialchemikalien zu erhalten (die durch chemische Synthese kaum hergestellt werden können) und gleichzeitig kostengünstige Rohstoffe in energieeffizienten enzymatischen Prozessen abzuändern.“ Dank der Projektergebnisse hat sich die Wettbewerbsposition Europas im wachsenden Bereich der weißen Biotechnologie deutlich verbessert.
Schlüsselbegriffe
EnzOx2, Biomasse, Enzyme, 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA), 5-(Hydroxymethyl)furfural (HMF), Oxidase, Peroxygenase, Pilze, Kunststoffe, Arzneimittel, Poly(ethylen-2,5-furandicarboxylat) (PEF), Duft- und Aromastoffe, Biotechnologie
