Die Bioökonomie braucht mehr Tempo. Sie soll fossile Rohstoffe ersetzen und stattdessen biogene Rohstoffe als Grundlage für Chemie und Materialien nutzbar machen. Doch der Weg dorthin ist komplex und oft langsam, denn die dafür nötigen biotechnologischen Produktionswege sind oft nicht in der Natur „vorprogrammiert“. Enzyme müssen gefunden oder neu entwickelt, Stoffwechselwege entworfen und Mikroorganismen schrittweise optimiert werden. Gerade angesichts der Herausforderungen des Klimawandels und wirtschaftlicher Abhängigkeiten wird Geschwindigkeit zu einem entscheidenden Faktor.
Im Projekt BioLignoPlast wollen Forschende biotechnologische Innovationen beschleunigen. Herzstück ist eine neuartige Hochdurchsatz-Plattform, die evolutionäre Prozesse gezielt nutzt, um Milliarden Enzymvarianten innerhalb kürzester Zeit zu testen und zu verbessern. In dem vom Bunderforschungsministerium geförderten Projekt arbeitet ein internationales und interdisziplinäres Team um Prof. Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Dr. Steffen Linder an der Charité Berlin sowie Prof. Muxina Konarova und Dr. Birgitta Ebert von der University of Queensland, Australien, zusammen. Ihr gemeinsames Ziel: Lignin aus Holzabfällen als nachhaltige Kohlenstoffquelle zu erschließen und daraus industrielle Plattformchemikalien für neue Materialien von morgen zu gewinnen. Dafür wird das Lignin zunächst chemisch in kleinere Bausteine zerlegt und anschließend von speziell optimierten Bakterien weiterverarbeitet, die daraus Ausgangsstoffe für die Gummiproduktion herstellen.
 | BioLignoPlastEin chemo-biokatalytischer Ansatz für die Umsetzung von Lignin in Kunststoffmonomere |
| Projektpartner | Charité - Universitätsmedizin Berlin Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie (MPI-TM), Marburg University of Queensland, Australien (internationaler Partner) |
| Förderung | Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) |
| Projektträger | Projektträger Jülich (PtJ) |
| Laufzeit | 05/2024–04/2027 |
| Förderkennzeichen | 031B1516A-B |
| Fördersumme | 490.163 € |
Lignin gehört zu den häufigsten Biopolymere der Erde und ist doch in der chemischen Industrie kaum genutzt. Als natürlicher „Klebstoff“ verleiht er Holz seine Stabilität und macht Bäume widerstandsfähig. In der Papier- und Holzindustrie fällt Lignin in großen Mengen als Nebenprodukt an, meist ohne direkte stoffliche Nutzung. Stattdessen wird der Großteil zur Energiegewinnung verbrannt. Dabei geht nicht nur sein chemisches Potenzial verloren, sondern auch der darin gebundene Kohlenstoff wird wieder als CO₂ freigesetzt. Gleichzeitig steckt in diesem „Abfall“ ein enormes Potenzial. Rund 20-30 Prozent der Biomasse von Bäumen bestehen aus Lignin. Holzabfälle stellen einen gewaltigen, weltweit verfügbaren Kohlenstoffspeicher dar, der nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion steht. Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft wäre es daher deutlich wertvoller, diesen Kohlenstoff möglichst lange in Produkten und Materialien zu binden, anstatt ihn unmittelbar nur als Wäremeenergie zu nutzen.
Die Vision von BioLignoPlast besteht darin, diesen wichtigen Rohstoff in wertvolle Plattformchemikalien umzuwandeln. Ein wichtiges Zielmolekül ist ein zentraler Ausgangsstoff für synthetischen Kautschuk, der unter anderem in Autoreifen, Dichtungen und technischen Elastomeren eingesetzt wird. Bis heute stammt dieser fast ausschließlich aus fossilen Quellen. Der Weg dorthin ist jedoch alles andere als einfach. Lignin ist kein einheitlicher Stoff, sondern ein hochkomplexes Gemisch unterschiedlich verknüpfter ringförmiger Moleküle, sogenannter Aromaten. Genau diese Struktur macht Holz stabil und die industrielle Nutzung schwierig. Zwar haben Pilze und andere Mikroorganismen Strategien entwickelt, um Lignin abzubauen. Für eine wirtschaftliche Produktion verlaufen diese Prozesse jedoch meist zu langsam und zu unkontrolliert.
BioLignoPlast verfolgt deshalb einen kombinierten Ansatz aus Chemie und Biotechnologie, um die Ligninnutzung zu beschleunigen. Am Anfang der Wertschöpfungskette steht die Arbeitsgruppe von Muxina Konarova an der University of Queensland. Ihr Ziel ist es, die komplexe Struktur des Lignins zunächst chemisch aufzubrechen und damit für die biologische Weiterverarbeitung zugänglich zu machen. Dafür nutzt ihre Gruppe Hitze, Wasserstoff und speziell entwickelten Katalysatoren, um Lignin kontrolliert in kleinere ringförmige Moleküle zu zerlegen. Gleichzeitig untersucht das Team, wie sich die Reaktionsbedingungen so steuern lassen, dass möglichst viele gewünschte Verbindungen entstehen und die Katalysatoren auch unter industriellen Bedingungen langfristig stabil bleiben. Mit ihrer Arbeit bildet Konarovas Gruppe damit die Brücke zwischen Holzabfall und biotechnologischer Wertschöpfung.
Die aus Queensland bereitgestellten Lignin-Bausteine sind der Ausgangspunkt für die mikrobielle Weiterverarbeitung. Einige Mikroorganismen, etwa Pseudomonas putida, können solche aromatischen Verbindungen bereits natürlicherweise verwerten. Doch die Nutzung dieser Bakterien stößt an Grenzen, denn sie können die komplexen Moleküle zwar abbauen, aber nicht die in gewünschten Zielprodukte umwandeln.
Hier setzt die Gruppe von Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie an. Ihr Ziel ist es, neue Stoffwechselwege zu entwerfen und fehlende enzymatische Schritte künstlich zu entwickeln. „Wir erfinden neue Reaktionen in unseren Köpfen und wollen sie dann in einen Katalysator gießen“, beschreibt Erb diesen Ansatz. Denn für viele der gewünschten Umwandlungen gibt es in der Natur keine passenden Enzyme, sie müssen erst geschaffen werden. Dafür denken die Marburger Forschenden Reaktionsketten neu und identifizieren die enzymatischen Schritte, die fehlen, um die gewünschten Zielmoleküle zu erzeugen. So entstehen Biokatalysatoren für Prozesse, die aus der Natur nicht bekannt sind.
Für Erb liegt darin auch die eigentliche Stärke der synthetischen Biologie: „Die Frage, wie man unabhängig von Erdöl werden kann, ist anspruchsvoll. Die synthetische Biologie hilft, weil sie neue Umwandlungen biobasierter Rohstoffe ermöglicht.“ Die neu entworfenen Enzyme werden anschließend an die Partner in Berlin weitergegeben. Dort beginnt der nächste Schritt im Innovationszyklus, bei dem in lebenden Zellen getestet wird, ob die entwickelten Biokatalysatoren tatsächlich die gewünschte Reaktion effizient ermöglichen.
Im Labor von Steffen Lindner an der Charité Berlin wird der nächste entscheidende Schritt im BioLignoPlast-Projekt umgesetzt. Die Gruppe entwickelt eine Plattform, die Enzymoptimierung als hochautomatisierten Evolutionszyklus versteht. Ausgangspunkt ist dabei ein zentraler Flaschenhals der klassischen Biotechnologie. Selbst mit modernen Methoden lassen sich oft nur wenige hundert Enzymvarianten über Monate experimentell testen. Das ist zu wenig, um den enormen Raum möglicher Mutationen effizient nach leistungsfähigen Biokatalysatoren für industrielle Anwendungen zu durchsuchen.
Um diesen Engpass zu überwinden, hat das Team eine Plattform entwickelt, die rechnergestützte Vorhersagen und biologische Selektion kombiniert. Maschinelles Lernen unterstützt dabei, vielversprechende Mutationen zu identifizieren und Enzymvarianten gezielt zu entwerfen, so, wie es im Marburger Team geschieht. Die Varianten werden anschließend direkt in lebenden Colibakterien getestet. Dafür entwickelt die Gruppe um Steffen Lindner eigens spezielle Stämme von E. coli, in denen die Enzymaktivität mit dem Wachstum der Zellen verknüpft ist. Der entscheidende Mechanismus ist die wachstumsgekoppelte Selektion: Nicht ein Messgerät bewertet die Enzyme, sondern die Evolution selbst. Zellen mit funktionalen oder verbesserten Enzymen erhalten einen Wachstumsvorteil und setzen sich automatisch durch. „Wir können so in kurzer Zeit eine Vielzahl an Varianten durchtesten und die Optimierung der Enzyme im Labor deutlich beschleunigen“, beschreibt Lindner diesen Ansatz. Auch Amelia Cox-Fermandois, die im Projekt die Entwicklung der Bakterienstämme verantwortet, betont die Stärke dieses Systems: „Unser Ziel ist es, robuste Plattformen zu schaffen, in denen wir Enzyme direkt unter realitätsnahen Bedingungen evolvieren und optimieren können.“
Auf dieser Grundlage hat das Berliner Team spezialisierte Selektionsstämme etabliert, die das Rückgrat der Plattform bilden. Sie ermöglichen es, Milliarden von Enzymvarianten parallel gegeneinander antreten zu lassen und innerhalb kürzester Zeit die leistungsfähigsten Varianten herauszufiltern. Prozesse, die klassisch Monate oder Jahre erfordern würden, werden so auf wenige Tage verdichtet. Die vielversprechendsten Varianten setzen sich durch und fließen zurück in den nächsten Designzyklus.
So entsteht ein zeitlich verdichteter Kreislauf aus Enzym-Design, Konstruktion, Testen und Lernen. Die synthetische Biologie bietet Ideen für neue Reaktionen. Die zellulären Systeme der Charité-Plattform prüfen diese Reaktionen unter Lebensbedingungen, damit nur die evolutionär ausgewählten besten Lösungen zurück in den Designprozess gespeist werden. Dieser kontinuierliche Austausch zwischen rationalem Design und biologischer Selektion bildet das Herzstück von BioLignoPlast: eine Plattform, die Evolution technisch steuerbar macht und die Entwicklungsarbeit gezielt beschleunigt.
Am Ende des Entwicklungsprozesses schließt sich der Kreis im BioLignoPlast-Projekt in Australien. Die in Deutschland identifizierten und optimierten Enzymvarianten werden an die Arbeitsgruppe von Birgitta Ebert an der University of Queensland weitergegeben, genau dorthin, wo zuvor bereits die ersten Schritte der Lignin-Aufbereitung begonnen haben.
Dort werden die verbesserten Schlüsselenzyme in speziell entwickelte Pseudomonas putida-Stämme eingebracht. Diese Mikroorganismen sind darauf ausgelegt, die aus Lignin gewonnenen aromatischen Bausteine zu verwerten und in wertschöpfende Stoffwechselprozesse einzuspeisen. Mit den neu entwickelten Enzymen aus Deutschland können sie in Zukunft auch die Gummi-Vorstufen herstellen, so der Plan der Forschenden. In Queensland entscheidet sich nun, ob die zuvor entworfenen, getesteten und optimierten Biokatalysatoren auch unter realen Produktionsbedingungen ihre Aufgabe erfüllen. Auch hier kommt ein wachstumsgekoppeltes System zum Einsatz. Nur wenn die eingeführten enzymatischen Funktionen tatsächlich effizient arbeiten und die gewünschte biochemische Umwandlung ermöglichen, können die Zellen optimal wachsen. Damit wird auch auf dieser Stufe die biologische Selektion zum treibenden Prinzip der Prozessentwicklung.
Insgesamt verdeutlicht das Projekt, dass bioökonomische Ansätze vor allem dann ihr Potenzial entfalten, wenn unterschiedliche Expertisen eng zusammenwirken. „Der entscheidende Punkt ist, dass wir die Stärken der einzelnen Disziplinen zusammenbringen müssen, um am Ende einen Prozess zu entwickeln, der nicht nur theoretisch funktioniert, sondern auch praktisch Sinn ergibt“, beschreibt Projektkoordinator Lindner den Ansatz. Chemische Aufbereitung, synthetische Biologie und evolutionäre Testsysteme greifen dabei als Glieder einer Entwicklungskette ineinander und werden in iterativen Optimierungszyklen kontinuierlich weiterentwickelt. So entsteht im BioLignoPlast-Projekt ein lernendes Gesamtsystem, das ein großes, bislang jedoch kaum stofflich genutztes Kohlenstoffreservoir wie Lignin Schritt für Schritt in einen verwertbaren Ausgangsstoff für industrielle Anwendungen wie die Gummiproduktion überführt. Und dies schneller, gezielter und systematischer, als es klassische Entwicklungswege erlauben.
von Hanna Berger
Verlinkte Studien im Zusammenhang mit dem Projekt BioLignoPlast:
- Orsi, E. et al. (2024) "Automated in vivo enzyme engineering accelerates biocatalyst optimization." Nature communications 15.1: 3447. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46574-4
- Yan, P. et al. (2025) "Advances in lignocellulosic biomass pyrolysis and catalytic upgrading for sustainable biofuel production: process design strategies and reaction rationales." Green Chemistry 27.35: 10444-10477. https://doi.org/10.1039/D5GC02199E
Quelle Abbildung Struktur Lignin:
- Prieur, B., et al. (2017) "Phosphorylation of lignin: characterization and investigation of the thermal decomposition." RSC advances 7.27: 16866-16877. https://doi.org/10.1039/C7RA00295E, CC-BY 3.0
