Statt fossiler Rohstoffe sollen künftig nachwachsende Ressourcen die Basis für Chemikalien und Materialien bilden. Doch bislang folgt die industrielle Nutzung pflanzlicher Biomasse meist einem simplen Prinzip: erst zerlegen, dann neu aufbauen. Ein europäisches Forschungsteam stellt dieses Paradigma nun infrage mit einem Ansatz, der Pflanzenstrukturen gezielt veredelt, statt sie zu zerstören.

Vom Zerlegen zum gezielten Umbau

Im EU-geförderten Projekt BioUPGRADE entwickelten Forschende neuartige Biokatalysatoren, also Enzyme, die pflanzliche Materialien nicht abbauen, sondern in ihrer bestehenden Struktur verändern. „Das klassische Verfahren, Biomasse zunächst in Zucker zu zerlegen, ist ineffizient und verursacht Verluste“, erklärt Projektleiterin Emma Master. Der neue Ansatz setzt stattdessen direkt an den natürlichen Fasern an.

Diese gezielte Modifikation eröffnet vielfältige Anwendungen: Aus Zellulose und anderen Biopolymeren entstehen Verpackungsmaterialien, leitfähige Tinten für Bioelektronik oder Hydrogele für Medizin und Pflege. Der Vorteil ist, dass die vorhandene Struktur erhalten bleibt, Ressourcen effizienter genutzt und chemische Prozessschritte reduziert werden.

Maßgeschneiderte Enzyme aus dem Computer

Um solche Enzyme zu entwickeln, kombinierte das Team Methoden aus Bioinformatik, Genomforschung und Materialwissenschaft. Mithilfe vergleichender Genomanalysen, molekularer Simulationen und sogar der Rekonstruktion uralter Enzyme entstanden Biokatalysatoren mit neuen Eigenschaften. Diese sogenannten ancestralen Enzyme zeigen teils Funktionen, die in modernen Varianten verloren gegangen sind und Vorteile bieten für industrielle Anwendungen.

Ein zentrales Ergebnis ist eine computergestützte Plattform, mit der sich multifunktionale Proteine gezielt entwerfen lassen. Ergänzt wird sie durch Mikrosysteme, die testen, wie Enzyme Materialeigenschaften wie Porosität, Oberflächenladung oder Fließverhalten verändern. Auch die Produktion wurde skaliert: In Bioreaktoren konnten ausreichende Mengen für erste industrielle Tests hergestellt werden.

hb