Pflanzliche Reststoffe sind ideale Rohstoffe für biobasierte Alternativen zu Produkten der Petroindustrie: Sie stehen nicht in Konkurrenz zum Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln und versprechen zusätzlich generierten Mehrwert zu den ohnehin produzierten pflanzlichen Produkten. In der Praxis gibt es jedoch häufig eine Schwierigkeit: Die biotechnologisch genutzten Mikroorganismen kommen meist mit nur einer der beiden Sorten von Zuckern zurecht, die sich in pflanzlichen Reststoffen befinden.

Herausforderung der Fünffachzucker

Hexosen und Pentosen – Sechsfach- und Fünffachzucker – bilden die Grundlage für Biokraftstoffe. Ohne geeignete Enzyme können Mikroben diese Rohstoffe jedoch nicht umsetzen, und die meisten heute genutzten Mikroorganismen besitzen lediglich Enzyme, um Hexosen zu verstoffwechseln. Selbst wenn man die Mikroorganismen gentechnisch so verändert, dass sie die erforderlichen Enzyme für Pentosen ebenfalls bilden, bleibt ein Problem: Die Enzyme erzeugen Zwischenprodukte, die letztlich die Einzeller lahmlegen oder die weiteren Reaktionsschritte behindern.

Parameter für den Weimberg-Weg

In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Vorhaben haben nun Biochemiker der Universität Duisburg-Essen den Stoffwechselweg für die Nutzung des Fünffachzuckers Xylose untersucht. Um über die Xylose auf dem sogenannten Weimberg-Weg Biotreibstoff herzustellen, benötigen Bakterien für die Reaktionsabfolge fünf bestimmte Enzyme. Am Computer entwickelten die Forscher ein Modell, wie diese gesamte Reaktionsabfolge erfolgreich in einem Bakterium ablaufen kann, ohne die genannten Probleme hervorzurufen. Am Ende der Untersuchung standen für jeden Reaktionsschritt Angaben, welche Menge des jeweiligen Enzyms erforderlich ist, welche Cofaktoren die Reaktion benötigt und wie lang die nötige Inkubationszeit idealerweise sind sollte.

Erstes Enzym bereits industriell eingesetzt

Parallel zur Entwicklung des Modells haben die Biochemiker die einzelnen Schritte jeweils in der Praxis verifiziert und weiter optimiert. Der Industriepartner Sigma-Aldrich hat eines der Enzyme mit der entsprechenden „Gebrauchsanleitung“ bereits in die kommerzielle Produktion überführt. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher außerdem im Fachjournal „Nature Communications“ publiziert. Über Open-Source-Plattformen stellen sie ihr Modell anderen Wissenschaftlern zur Verfügung, denn so betont Projektleiterin Bettina Siebers: „Faires Datenmanagement ist uns wichtig.“

bl