PRO-SUGAR: Fungal production systems utilizing D-galacturonic acid-rich agricultural residues

Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie wie Apfeltreber oder Zuckerrübenschnitzel enthalten große Mengen des Zuckerpolymers Pektin. Bisher werden solche Reststoffe als Tierfutter eingesetzt oder thermisch verwertet, da die stoffliche Nutzung pflanzlicher Reststoffe nach wie vor eine große techni-sche und ökonomische Herausforderung darstellt. Pektin-reiche Agrarreststoffe bestehen zu einem großen Anteil aus D-Galakturonsäure (D-GalA), welches enzymatisch mit Hilfe von Pektinasen (Poly-galacturonasen) aus dem Zuckerpolymer freigesetzt werden kann. Diese Zuckermonomere können durch enzymkatalysierte Reduktion gezielt zu vielseitig einsetzbaren Polyhydroxysäuren funktionali-siert werden, die wertvolle Plattformchemikalien darstellen. Die D-GalA-basierten Polyhydroxysäuren ähneln in ihrer Struktur derzeit konventionell hergestellten Säuerungsmitteln, Stabilisatoren und Back-triebmitteln der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Besonders durch die nachhaltige Produktions-weise aus Reststofffraktionen nachwachsender Rohstoffe versprechen sie aber, einen ökologischen Mehrwert zu haben.
Im Sinne eines nachhaltigen „Waste2Value“ Ansatzes sollten im nun abgeschlossenen Projekt PRO-SUGAR landwirtschaftliche Abfallströme (Zuckerrübenschnitzel und Apfeltreber) in einer mehrstufigen Prozesskette zu hochwertigen Polyhydroxysäuren umgewandelt werden. Im ersten Schritt sollte die Herstellung Pektin-abbauender Enzyme mit Aspergillus niger zur Freisetzung von D-GalA erforscht werden. Deren Produktionseffizienz sollte mithilfe gezielter gentechnologischer Modifikationen opti-miert werden. D-GalA sollte nachfolgend in einem zweiten Schritt mit genetisch optimierten Sac-charomyces cerevisiae zu L-Galaktonat (L-GalOA) reduziert werden. Die Bereitstellung der Elektronen für die Reduktion sollte dabei, wenn möglich, mit anderen Zuckern wie beispielsweise Glucose erfol-gen, die bei der Hydrolyse der Pektin-reichen Reststoffe ebenfalls freigesetzt werden. Neben der Herstellung von Pektinasen mit Aspergillus niger, der Hydrolyse von Pektin-reichen Reststoffen zur Freisetzung von D GalA und der Ganzzellreduktion zu L-GalOA mit rekombinanten Hefen sollte auch die finale Produktisolierung betrachtet werden, um grundlegende Daten für eine industrielle Umset-zung bereit stellen zu können.
Zum Erreichen dieser Projektziele arbeiteten insgesamt drei universitäre Gruppen aus der Technischen Universität München und der Goethe-Universität Frankfurt a.M. mit einem industriellen Partner zusam-men. Die regulatorische und metabolische Optimierung der A. niger Stämme war Aufgabe der Ar-beitsgruppe von Prof. Dr. J. Philipp Benz (Technische Universität München, Professur für Pilz-Biotechnologie in der Holzwissenschaft). Die metabolische Optimierung der S. cerevisiae Stämme war Aufgabe der Arbeitsgruppe von Dr. Mislav Oreb (Goethe Universität Frankfurt a.M., Physiologie und Genetik niederer Eukaryoten). Alle reaktionstechnischen und verfahrenstechnischen Untersuchun-gen und Entwicklungen waren Aufgabe des Lehrstuhls für Bioverfahrenstechnik der Technischen Uni-versität München (Prof. Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz). Die Firma Südzucker AG (Dr. Wolfgang Wach) verpflichtete sich, die nötigen Rohstoffe in ausreichender Menge und Qualität zu liefern.