Hefe kann Enzymbedarf für Bioethanol senken

Pflanzliche Reststoffe wie Holz- oder Ernterückstände enthalten viel Cellulose, die sich als Rohstoff für Bioethanol nutzen lässt. Doch bevor Hefe den darin gebundenen Zucker vergären kann, muss die feste Pflanzenstruktur enzymatisch aufgeschlossen werden. Dafür werden meist kommerzielle Cellulasen zugesetzt. Forschende der Universität Gent und des belgischen Biotechnologieunternehmens NovelYeast haben nun Industriehefen so verändert, dass sie einen Teil dieser Arbeit selbst übernehmen.

Die Forschenden nutzten einen industriellen Stamm der Hefe Saccharomyces cerevisiae, der für die Verarbeitung lignocellulosehaltiger Rohstoffe entwickelt wurde. Zusätzliche Gene sorgen dafür, dass die Hefe mehrere cellulosespaltende Enzyme bildet und in ihre Umgebung, also in das Nährmedium, abgibt. Damit laufen zwei Schritte enger zusammen: Die Enzyme setzen vergärbare Zucker frei, während die Hefe diese gleichzeitig zu Ethanol umsetzt.

Hefe liefert einen Teil der Enzyme selbst

Zunächst prüfte das Team die Enzymwirkung an kristalliner Cellulose. Allein konnten die ausgeschiedenen Enzyme das Material nur begrenzt abbauen. Zusammen mit einem kommerziellen Enzymcocktail zeigte sich jedoch ein deutlicher Zusatzeffekt, besonders wenn nur wenig externes Enzym eingesetzt wurde. Unter diesen Bedingungen ließ sich die Menge des kommerziellen Enzymgemischs um bis zu 53 Prozent verringern, ohne dass der Celluloseabbau schlechter ausfiel.

Anschließend testeten die Forschenden die Hefestämme mit zwei praxisnäheren Rohstoffen: vorbehandeltem Nadelholz aus Forstreststoffen sowie cellulosereichen Rückständen aus der Furfuralproduktion. Beide Materialien wurden zusammen mit einer begrenzten Menge kommerzieller Enzyme umgesetzt.

Forstreste bringen 25 Prozent mehr Ethanol

Bei den Furfuralrückständen erreichten die enzymproduzierenden Hefen je nach Stamm bis zu 14 Prozent höhere Ethanolkonzentrationen als die Ausgangshefe. Besonders deutlich war der Effekt beim vorbehandelten Nadelholz. Ein Stamm, der zusätzlich das cellulosespaltende Enzym RfGH5_4 abgab, steigerte den Ethanol-Titer um 25 Prozent auf bis zu 5,15 Volumenprozent. Dieses Enzym wurde nach Angaben des Teams erstmals in S. cerevisiae hergestellt. [1]

Die Ergebnisse zeigen zugleich, dass nicht jedes Enzym bei jedem Reststoff gleich gut wirkt. Welche Enzymausstattung Vorteile bringt, hängt vom jeweiligen Material ab. Ganz ohne zugesetzte Enzyme kam das Verfahren nicht aus. Die Versuche zeigen damit vor allem, wie sich Industriehefen und kommerzielle Enzymgemische gezielter kombinieren lassen, um pflanzliche Reststoffe effizienter für die Bioethanolproduktion aufzuschließen.

ag