Termokemiske undersøgelser af cellulolytiske enzymer til brug i produktionen af anden-generations bioetanol

Biosfærens samlede produktion af cellulose udgør årligt ca. 100 milliarder tons. Cellulose er dermed den vigtigste biologiske resource, der kan lægges til grund for en bæredygtig udvikling. En af de mest lovende anvendelser er fremstilling af CO_2-neutrale flydende brændstoffer til transport. Den primære udfordring for denne anvendelse er nedbrydningen af cellulose til mindre molekyler, som kan fermenteres til fx bioethanol. En effektiv og miljøvenlig nedbrydning kan opnås ved brug af en række enzymer som cellulase, hemicellulase, xylanase og esterase. Industriel udvikling af sådanne enzymsystemer er kritisk afhængig af teknikker, der hurtigt og effektivt kan karakterisere nedbrydningsprocessen for forskellige enzymvarianter og under varierende forhold. Der er imidlertid i dag et begrænset udvalg af sådanne teknikker. Ved indeværende projekt udvikles en hidtil ubeskrevet tilgang til karakterisering af disse enzymgrupper. Det grundlæggende princip er at kvantificere den varme, som den enzymkatalyserede reaktion udvikler. Denne metode har en række fordele ved både grundlæggende undersøgelser og målinger på komplekse suspensioner af biomasse. For eksempel kan effekten af inhibitorer bestemmes hurtigt og effektivt, ligesom metoden åbner muligheder for høj produktivitet via automatisering. På basis af den termokemiske teknisk vil projektet: 1) etablere en international forskningsgruppe i cellulolytiske enzymers regulering og nedbrydningsmekanismer, og 2) udvikle et screeningsværktøj til anvendelse i biomasseforskning.

Det grundlæggende princip er ved brug af et kalorimeter at kvantificere den varme, som den enzymkatalyserede reaktion udvikler. Vores indledende arbejde har bekræftet, at metoden har en række fordele. For eksempel kan en kompleks suspension som biomasse umiddelbart undersøges, ligesom effekten af en række inhibitorer og promotorer kan følges i realtid. Endelig tilbyder metoden en unik tidsopløsning, idet den primære observerbare størrelse (varme flow i J/s) afspejler hastigheden af hydrolysen og ikke som ved andre assay teknologier koncentrationen af produkt eller substrat.

Forskningsgruppen er opbygget som et nært samarbejde mellem Roskilde Universitet (RUC) og Novozymes A/S (NZ). Førstnævnte har en langvarig erfaring indenfor biofysisk anvendelse af kalorimetri, mens NZ har en ledende ekspertise i saccharificering og cellulolytiske enzymer.

Projektet har ansat 3 postdocs og 4 phdstuderende, samt en laborant, og forskningsgruppen omfatter også ca. 10 fastansatte forskere ved RUC og NZ samt et lignende antal speciale- og bachelorstuderende. Den effektive udveksling af erfaring og ideer mellem de to institutioner sikres ved at postdocs, phd- og specialestuderende deler deres tid mellem de to institutioner, samt ved månedlige statusmøder og workshops, hvor gruppens egen forskning og nye resultater fra litteraturen diskuteres samlet.