Zwischenziele von PRO-SUPER
Enzymatische De-Polymerisation von Hemicellulose in Zuckerrübenschnitzeln zur Gewinnung von Xylitol mittels Aspergillus niger
Aspergillus niger kann als Saprophyt hemicellulosereiche Substrate verwerten und komplexe Polysaccharide abbauen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Benz konzentriert sich auf die Stammentwicklung von A. niger, um eine effizientere enzymatische Depolymerization von Hemicellulose zu realisieren und dadurch eine ökonomisch attraktive Freisetzung von Galakturonsäure, Arabinose und Xylose aus landwirtschaftlichen Verwertungsresten zu ermöglichen. Dazu setzen wir neben neuartigen Methoden zur Genomeditierung, wie z.B. CRISPR/Cas9, auch auf Ansätze zur Modifikation und Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, zur selektiven Modifikation der nativen Degradation von komplexen Zuckerpolymeren, sowie der Morphologiebeeinflussung. In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioverfahrenstechnik an der TU München werden diese Modifikationen detailliert getestet und schließlich in einem robusten Fermentations- und Hydrolyse-Prozess zur Gewinnung von Galakturonsäure und Pentosezuckern für folgende Biokonversionen implementiert.
Metabolismus-Engineering in Aspergillus niger zur Biokonversion von Arabinose und Xylose zu Xylitol
Die bei der Depolarisation von Agrarabfällen durch Aspergillus niger freigesetzten Pentosen werden anschließend innerhalb der Zellen zu Xylitol umgewandelt und verstoffwechselt. Um einen effizienten Metabolismus der Ausgangstoffe zu gewährleisten wird das genetische Inventar des Organismus genutzt und durch Expression artfremder Gene erweitert. Besonders bedeutend für eine produktgenerierende Katalyse ist die Anpassung des Redoxpools durch eine Umlenkung des nativen Katabolismus von Hexosen und Pentosen.
Metabolismus-Engineering in Saccharomyces cerevisae zur Biokonversion von D-Galakturonsäure über L-Galactono-y-Lacton zu L-Ascorbinsäure und Ascorbylpalmitat
In diesem Projektteil soll aus D-Galakturonsäure über L-Galactono-y-Lacton L-Ascorbinsäure produziert werden. Die Produktion von L-Galactono-y-Lacton wurde schon im vorangehenden Projekt etabliert und die Konversion zu L-Ascorbinsäuren wurde bereits durch Einbringung eines artfremden Enzyms erreicht. Die Ausbeute war aber hier sehr gering und soll im Laufe des Projekts weiter optimiert werden. Die Produktion von L-Ascorbinsäure erfolgt industriell zurzeit über chemische Synthese. Dieses Projekt könnte helfen, die Produktion auf einen biotechnologischen Ansatz umzustellen.
Des Weiteren soll im Laufe des Projekts L-Ascorbinsäure basierend auf enzymatischer Katalyse auf Palmitin-Fettsäuren übertragen werden. Hierbei werden diverse Alkohol-Acyl-Transferasen auf ihre Aktivität untersucht, eine Esterbindung zwischen der terminalen Hydroxylgruppe von L-Ascorbinsäure und Palmitinsäure zu knüpfen. Das effizienteste Enzym wird dann in S. cerevisiae eingebracht und der Produktionsorganismus weiter auf eine effiziente Konversion optimiert.
Entwicklung eines skalierbaren Bioprozesses für die Gewinnung von Xylitol und Ascorbinsäure-Derivaten mittels Fermentation von Hemicellulose-enthaltenden Substraten
Analog zu den Zielen der ersten Förderungsphase, wird zu Beginn ein kleiner Teil der Zuckerrübenschnitzel als Kohlenstoffquelle für A. niger genutzt. Zusätzlich induzieren die im Substrat enthaltenen Zuckerpolymere die Produktion von hydrolytischen Enzymen (Schritt 1). Dieser Enzymcocktail wird dann von der pilzlichen Biomasse abgetrennt und zum Abbau der Hemicellulose und des Pektins in den Zuckerrübenpressschnitzeln verwendet (Schritt 2). Zuletzt werden die restlichen Bestandteile abgetrennt und das zuckerreiche Hydrolysat dann als Substrat für die Biokonversion durch A. niger und S. cerevisiae verwendet. Weitere Optimierungen des Prozesses sollen am Ende der Projektlaufzeit dazu führen, den Prozess von drei auf zwei Schritte zu optimieren.