Ein nachhaltiger Ansatz zur Umwandlung nachwachsender pflanzlicher Ressourcen in fossilfreie Materialien
Die Länder schließen sich im Kampf gegen den Klimawandel zusammen und streben an, die Treibhausgasemissionen bis 2030 drastisch zu senken und bis 2050 Netto-Null zu erreichen. Ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels ist der Aufbau von Volkswirtschaften, die auf erneuerbare Ressourcen setzen. Biologische Systeme recyceln Treibhausgasemissionen auf natürliche Weise und produzieren dabei eine Vielzahl von Chemikalien und Materialien. Die Biofertigung nutzt dieses Potenzial, indem sie Mikroorganismen und Enzyme einsetzt, um nachwachsende Rohstoffe in Kraftstoffe, Plattformchemikalien und biobasierte Alternativen zu Kunststoffen umzuwandeln. Bis 2030 sollen die Biotechnologien, die diese Innovationen vorantreiben, voraussichtlich über 35 % der Chemikalien und Materialien produzieren, die wir täglich verwenden. Das von der EU finanzierte Projekt BioUPGRADE verband computergestützte Biologie, Genomik und Materialwissenschaften, um das Potenzial der Biotechnologie für eine nachhaltige Fertigung zu erschließen, wobei der Schwerpunkt auf Biokatalysatoren (Enzymen) lag, die nachwachsende Fasern in hochwertige Produkte umwandeln.
Aufwerten statt zerlegen
„Unser Ziel war die Entwicklung von Biokatalysatoren, die erneuerbare Bioressourcen in wertvolle Materialien umwandeln, anstatt sie abzubauen“, erklärt Projektkoordinatorin Emma Master. „Traditionell sind Enzyme, die bei der Biomasseverarbeitung eingesetzt werden, darauf ausgelegt, Pflanzenmaterial in Zucker abzubauen, der dann zu Kraftstoffen und Chemikalien vergoren wird. Dieses Paradigma des ‚zuerst Abbauens‘ ist jedoch sowohl kostspielig als auch in Bezug auf die Atomökonomie ineffizient.“ Stattdessen passen die hochentwickelten Enzyme von BioUPGRADE die natürliche Struktur der Biomasse so an, dass sie für ein breiteres Spektrum an Anwendungen geeignet ist, beispielsweise für Verpackungsmaterialien, leitfähige Tinten für die Bioelektronik und Hydrogele für den Gesundheits- und Körperpflegebereich. „Dieser Ansatz verbessert die Materialeffizienz und verringert die Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Verfahren“, fügt Master hinzu.
Bessere Nutzung natürlicher Ressourcen
Ein Schwerpunkt der Forschung lag auf der Entwicklung von Biokatalysatoren, die die Struktur und die chemischen Eigenschaften natürlicher Materialien wie Zellulose, Hemicellulose und Chitin verändern können. Um dies zu erreichen, analysierten die Forscher sowohl öffentlich zugängliche als auch interne Genomdatensätze. Sie nutzten fortschrittliche Techniken wie den Vergleich von Genomen verschiedener Arten (comparative genomics), die Rekonstruktion alter Enzymsequenzen (Sequenzrekonstruktion) und die Durchführung molekularer Simulationen, um zu verstehen, wie diese Enzyme funktionieren. Ein wichtiges Ergebnis war ein rechnergestütztes Rahmenkonzept, mit dem maßgeschneiderte multifunktionale Proteine entworfen und wesentliche biophysikalische Eigenschaften von Enzymen ermittelt werden können, die auf Materialoberflächen wirken. „Die durchdachte Konzeption und Umsetzung anwendungsorientierter Funktionsscreenings ist für jedes Rahmenkonzept zur Entwicklung von Biokatalysatoren von zentraler Bedeutung“, erklärt Master. „Zu diesem Zweck haben wir Plattformen im Mikromaßstab entwickelt, mit denen sich Biokatalysatoren identifizieren lassen, die sowohl die physikalischen Eigenschaften – wie Oberflächenladung, Porosität und Fließverhalten – als auch die chemischen Eigenschaften – wie das Anfügen von Carbonyl- oder Amingruppen – von strukturellen Polysacchariden präzise modifizieren können.“
Wiederbelebung urzeitlicher Enzyme für neue Anwendungen
Ein herausragendes Beispiel für die Entwicklung von Biokatalysatoren ist die Entwicklung und Erprobung urzeitlicher Enzyme, darunter Expansine, Endoglucanasen und lytische Polysaccharid-Monooxygenasen. Diese urzeitlichen Varianten wiesen einzigartige Eigenschaften auf, die in modernen Enzymen nicht vorhanden sind und für biotechnologische Anwendungen von Vorteil sind. Erhebliche Anstrengungen wurden zudem auf die Skalierung der Proteinproduktion verwendet. Mikrobielle Expansine wurden in Bioreaktoren mit einem Fassungsvermögen von 5 bis 200 Litern hergestellt, wodurch genügend Material für erste Anwendungsversuche in der Zellulosefaserverarbeitung bereitgestellt wurde. Bei diesem Ansatz wird das Protein direkt in die extrazelluläre Umgebung exportiert, was hohe Ausbeuten ermöglicht, ohne dass komplexe Reinigungsschritte erforderlich sind. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Rahmen von BioUPGRADE führte zu gezielteren, anpassungsfähigeren und besser vorhersagbaren Technologien zur Herstellung funktioneller Materialien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen pflanzliches Material in Zucker zerlegt wird, nutzt das Projekt Enzyme, um wenig genutzte Biomasse selektiv zu modifizieren, anstatt sie in Zucker umzuwandeln. Dadurch wird die Ressourceneffizienz gesteigert und die Wiederverwendung im Sinne einer nachhaltigeren Bioökonomie gefördert.