Die Cellulose stellt als weltweit am häufigsten vorkommendes biogenes Polymer einen zentralen Rohstoff für die nachhaltige Nutzung von Biomasse dar. Aufgrund ihrer komplexen, mikrostrukturellen Organisation in Pflanzenzellwänden und ihrer starken Vernetzung mit anderen Zellwandkomponenten wie Lignin und Hemicellulosen ist der enzymatische Abbau von Cellulose bislang eine große Herausforderung. Diese sogenannte „Biomasserefraktärität“ erschwert die effiziente Umwandlung von pflanzlichen Reststoffen in verwertbare Produkte wie Biokraftstoffe oder Chemikalien. Doch eine jüngst publizierte Entdeckung aus metagenomischen Studien bringt deutliche Fortschritte in diesem Bereich mit sich und könnte maßgeblich zur Bioökonomie der Zukunft beitragen. Forscher fanden ein neuartiges, in der Mikrobiologie bis dato unbekanntes Enzym, das die oxidative Spaltung von Cellulose steuert und dadurch die Effizienz der Biomasseverwertung signifikant erhöht.
Bei der „metagenomischen Dunkelziffer“ handelt es sich um genetisches Material, das aus mikrobiellen Gemeinschaften stammt und aufgrund fehlender Referenzdaten oder Kultivierungsmöglichkeiten bislang funktionell unerforscht bleibt. Durch gezieltes Screening dieser genetischen „Dunkelziffer“ aus Bodenproben, die lange Zeit mit Zuckerrohrbagasse bedeckt waren, gelang es Forschenden, eine bislang unbekannte Bakterienart zu identifizieren, welche außergewöhnlich viele Gene für die Zellwandzersetzung besitzt. Innerhalb des Genoms dieses Bakteriums namens „Candidatus Telluricellulosum braziliensis“ entdeckten sie ein kleines Metalloenzym mit nur 115 Aminosäuren, das die Fähigkeit besitzt, Cellulose oxidativ zu durchtrennen. Diese Entdeckung hebt sich deutlich von bekannten Enzymfamilien ab, die bei der Celluloseverdauung bislang erforscht wurden. Bisher war das enzymatische Abbausystem von Cellulose größtenteils hydrolytischer Natur und umfasst die drei klassischen Enzymklassen Endo-β-Glucanasen, Cellobiohydrolasen und β-Glucosidasen.
Die neuere Revolution begann vor etwa einem Jahrzehnt mit der Entdeckung der lytischen Polysaccharid-Monooxygenasen (LPMOs), die in der Lage sind, kristalline Zellulose oxidativ anzupeilen und so den Abbauprozess stark zu beschleunigen. Das nun beschriebene Enzym unterscheidet sich durch seine ungewöhnliche Struktur und Wirkungsweise grundlegend von LPMOs. Das neu entdeckte Enzym, bezeichnet als CelOCE, ist ein kupferhaltiges Homodimer mit einem kompakten Jelly-Roll-Fold. Seine aktive Kupferstelle sitzt tief in einem kleinen „Taschen“-artigen aktiven Zentrum, das speziell für die Aufnahme von Zuckermolekülen konzipiert ist. Diese Bauweise ist eher untypisch und unterscheidet sich von den weit offenen aktiven Zentren der LPMOs.
Interessant ist auch die Anordnung als Homodimer, bei dem eine Untereinheit das Substrat Cellulose bindet und oxidativ spaltet, während die gegenüberliegende Untereinheit Wasserstoffperoxid direkt vor Ort produziert. Dieses Wasserstoffperoxid dient als entscheidendes Co-Substrat für den oxidativen Spaltvorgang, wodurch das Enzym im Grunde autark seine Reaktion antreiben kann. Die Redoxreaktion verläuft unter Nutzung eines Elektronendonors, wie etwa Ascorbinsäure, wodurch das Kupferatom zunächst reduziert wird. Danach erfolgt die Peroxygenase-Aktivität – das heißt, mit Wasserstoffperoxid als aktiven Sauerstoffgeber wird die β-1,4-glykosidische Bindung der Cellulosekette an spezifischer Position (C1) oxidativ aufgebrochen. Das Endprodukt der Reaktion ist ausschließlich Cellobionsäure, eine oxidierte Form des Cellobios.
Das homodimere Enzym spaltet also exo-aktiv die Cellulosekettenenden und erweitert damit das katalytische Spektrum, da die meisten bekannten oxidativen Enzyme endo-aktiv auf das Zellulosepolymer einwirken. Durch diese exo-typische, oxidative Spaltung wirkt CelOCE komplementär zu den klassischen Cellulasen, insbesondere zu endo-β-Glucanasen. In Kooperationsversuchen zeigte sich, dass sich der Einsatz von CelOCE mit endo-enzymatischen Cellulasen synergistisch ergänzt, was zu einer bis zu dreifachen Steigerung der Celluloseverdauung unter Modellbedingungen führte. Hingegen konnte CelOCE keinen nennenswerten Nutzen in Kombination mit anderen exo-aktiven Enzymen wie Cellobiohydrolasen erzielen, da diese meist am Kettenende angreifen und das Enzym keine neuen Enden generiert. Die biotechnologische Umsetzung dieses Enzyms wurde anhand eines gentechnisch veränderten Stammes des Fungus Trichoderma reesei demonstriert – einer etablieren Industrieplattform für die Produktion von Cellulasen.
Durch Einbau der CelOCE-Sequenz in das Genom von T. reesei entstand ein Enzymcocktail, der im Pilotmaßstab fermentiert wurde. Die so produzierten Enzyme setzten unter industriellen Bedingungen bei der Aufschlussverwertung von vorbehandelter Zuckerrohrbagasse und Eukalyptusholz eine um über 20 Prozent gestiegene Glucoseausbeute frei. Dies übertraf sogar die Effizienz eines bekannten, thermostabilen LPMOs aus dem Pilz Lentinus similis, das als Vergleich diente. Das demonstriert das enorme Potenzial des neuen Enzyms für biotechnologische Prozesse in Biorefinereien.
Auf struktureller Ebene wurde das Enzym mittels Röntgenkristallographie bis auf atomare Auflösung analysiert. Die dabei gewonnenen Daten bestätigen die homodimere Architektur mit klar erkennbarer Kupferkoordination durch drei Histidinreste und ein Glutamin, die über Wassermoleküle im Oktahedrischen Koordinationskomplex ergänzend stabilisiert werden. Diese Anordnung ist einzigartig und unterscheidet sich deutlich von der „Histidin-Brace“ -Koordination der LPMOs. Weiterhin wurden diverse spektroskopische Methoden wie Elektronenspinresonanz (EPR), isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) und Synchrotron-basierte Analytik verwendet, um die Metallbindung und den Redoxzyklus detailliert zu charakterisieren. Ferner erfolgten Computer-Simulationen und molekulardynamische Übungen, die die Substraterkennung und Bindung der Cellulose erklärten.
Dabei bindet das Enzym bevorzugt an das nicht-reduzierende Ende der Cellulosekette, wobei aromatische Reste wichtige Stapelwechselwirkungen mit dem Zuckergerüst eingehen und das C1-Atom ideal für die oxidative Reaktion positionieren. Mutagenese-Experimente bestätigten dabei die Rolle eines Phenylalaninrestes für die Substraterkennung. Die Bedeutung dieser Entdeckung ist ebenso ökologisch wie ökonomisch. Da die überwiegende Mehrheit der Mikroorganismen in der Umwelt bisher nicht kultivierbar und deshalb unverständlich bleibt, zeigt sich hier eindrucksvoll, wie moderne metagenomische Ansätze unerwartete Enzyminnovation zu Tage fördern. Solche Enzyme tragen maßgeblich zum natürlichen Kohlenstoffkreislauf bei, indem sie schwer abbaubare pflanzliche Biomasse zu verwertbaren Zuckern abbauen.
Industriell eröffnet CelOCE neue Wege für nachhaltige Prozessoptimierungen in Biorefinereien. Die Fähigkeit, Agroindustrielle Nebenprodukte oder Reststoffe effizienter umzusetzen, unterstützt die Entwicklung biobasierter Wirtschaftskreisläufe und Ressourceneffizienz. Zudem ist das geringe Größe des Enzyms mit nur 115 Aminosäuren für eine einfache Biotechnologiepräsenz vorteilhaft, da es leichter im industriellen Maßstab exprimiert und modifiziert werden kann. Zusammenfassend läutet die Entdeckung des metagenomischen „Dunkelziffer“-Metalloenzyms CelOCE eine neue Epoche der Biomasseverwertung ein. Seine einzigartige exo-aktive, kupferbasierte oxidative Mechanik erweitert das enzymatische Repertoir, das der Mensch zu nutzen versteht, und zeigt, dass die Natur noch viele einzigartige Biokatalysatoren bereithält.
Mit dem Fokus auf nachhaltige Bioökonomie kann CelOCE künftig einen entscheidenden Beitrag leisten, fossile Ressourcen zu ersetzen und umweltfreundliche Herstellungsverfahren für Bioenergie und Biomaterialien zu etablieren.
