Project

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Characterization and engineering of lignin:protein interactions

English title Characterization and engineering of lignin:protein interactions
Applicant Seebeck Florian
Number 138739
Funding scheme NRP 66 Resource Wood
Research institution Departement Chemie Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Organic Chemistry
Start/End 01.07.2012 - 31.07.2016
Approved amount 473'978.00
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Keywords (4)

protein engineering; lignin; enzymes; ligninsulfonate

Lay Summary (German)

Lead
Entwicklung künstlicher Proteine für eine bessere chemische Nutzung von Holz Mehr als neunzig Prozent der Biomasse weltweit besteht aus Holz. Dessen Potenzial als Brenn-, Bau- und Grundmaterial für chemische Synthesen wird bisher nicht ausgeschöpft, weil Holz biologisch nur schwer abbaubar ist. Hierfür entwickeln die Forschenden in diesem Projekt geeignete biokatalytische Methoden zur Modifikation von Lignocellulose und erschliessen somit neue Wege zur Nutzung der Biomasse Holz.
Lay summary

Hintergrund
Pflanzen produzieren weltweit aus Kohlenstoffdioxid, Wasser und Sonnenenergie pro Jahr etwa hundert Milliarden Tonnen Lignocellulose, der Substanz, auf der das Strukturgerüst verholzter Pflanzen beruht. Pilze und Bakterien mineralisieren beinahe dieselbe Menge an Biomasse, um daraus Energie und Nährstoffe zu gewinnen. Besonders Pilze vermögen feste Biomasse in wasserlösliche oder gasförmige Produkte umzuwandeln. Die biochemischen Mechanismen dieser Abbauprozesse sind aber bisher zu wenig erforscht, um sie industriell anzuwenden.

Ziel
Lignocellulose ist biologisch schwer abbaubar, weil deren Bausteine, die Ligninpolymere, chemisch sehr stabil sind und weil nur dessen Oberfläche für Enzyme zugänglich ist. Wie erkennen Lignin abbauende Enzyme die Oberfläche ihres Substrats? Wie verändert sich die Aktivität dieser Enzyme, wenn sie sich an der Substratoberfläche anlagern? Können Lignin erkennende Proteindomänen diesen Enzymen zu grösserer Aktivität verhelfen? Um diese Fragen zu beantworten, konstruieren die Forschenden in diesem Projekt verschiedene künstliche Proteine und Proteinkomplexe und charakterisieren deren Lignin abbauende Aktivität.

Bedeutung
Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sollen Lignocellulose als Quelle für organische Grundstoffe chemisch zugänglicher machen. Mit der Entwicklung geeigneter Zerlegungsmethoden wird es möglich sein, Holz als vergleichsweise günstige und nachwachsende Ressource neuen und vielfältigen Nutzungen auf industrieller Basis zuzuführen.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (French)

Lead
Mise au point de protéines synthétiques pour optimiser l’exploitation chimique du bois Le potentiel du bois en tant que combustible, matériau de construction et matériau de base pour les synthèses chimiques n’est pas épuisé, car le bois est difficilement biodégradable. Les chercheurs de ce projet ont mis au point des méthodes biocatalytiques adaptées pour modifier la lignocellulose et trouver de nouveaux moyens d’exploiter la biomasse ligneuse.
Lay summary

Contexte
Chaque année, à partir de dioxyde de carbone, d’eau et d’énergie solaire, les végétaux du monde entier produisent une centaine de milliards de tonnes de lignocellulose, la substance qui forme la structure des plantes arborescentes. Les champignons et bactéries minéralisent une quantité comparable de biomasse, pour en extraire de l’énergie et des substances nutritives. Les champignons présentent la capacité particulière de transformer la biomasse solide en produits hydrosolubles ou gazeux. Les mécanismes biochimiques de ces processus de biodégradation sont encore trop peu connus pour faire l’objet d’une application industrielle.

But
La lignocellulose est difficilement biodégradable car ses composants, les polymères de lignine, se caractérisent par une grande stabilité chimique et seule leur surface présente un accès enzymatique. Comment les enzymes dégradeurs de lignine reconnaissent-elles la surface de leur substrat? Comment l’activité de ces enzymes se modifie-t-elle lorsqu’elles se déposent à la surface du substrat? Les domaines protéiques identifiant la lignine peuvent-ils intensifier l’activité de ces enzymes? Pour répondre à ces questions, les chercheurs de ce projet élaborent différentes protéines et complexes protéiques synthétiques et caractérisent leur activité de dégradation de la lignine.

Portée
Les résultats tirés de ce projet sont destinés à rendre la lignocellulose plus accessible chimiquement en tant que source de substances organiques de base. Le développement de méthodes de décomposition adaptées permettra d’utiliser le bois comme une ressource renouvelable et relativement bon marché pour l’affecter à de nombreux usages, innovants et variés, à l’échelle industrielle.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (English)

Lead
Development of artificial proteins for a better chemical use of wood More than ninety percent of the biomass worldwide consists of wood. Its potential as fuel, building material and basic material for chemical syntheses has not been fully exploited so far because wood is not easily biodegradable. The researchers in this project address this problem by developing suitable biocatalytic methods for modifying lignocellulose, thereby opening up new avenues for using wood biomass.
Lay summary

Background
Each year, plants around the world produce approximately 100 billion tons of lignocellulose—the substance on which the structural framework of ligneous plants is based. Fungi and bacteria mineralise almost the same amount of biomass, thereby gaining energy and nutrients. Fungi, in particular, are able to transform hard biomass into soluble or gaseous products. However, the biochemical mechanisms of these degradation processes have not been studied closely enough and therefore cannot be used industrially so far.

Aim
Lignocellulose is not easily biologically degradable because its elements, the lignin polymers, are chemically very stable and only their surface is accessible to enzymes. How do lignin degrading enzymes recognise the surface of a substrate? How does the behaviour of these enzymes change when they accumulate on the surface of a substrate? Can lignin-recognising protein domains help these enzymes to be more active? In order to answer these questions, the researchers are constructing different artificial proteins and protein complexes in this project and characterising their lignin degrading activity.

Significance
The insights gained in this project should make lignocellulose chemically more accessible as a source of basic organic substances. The development of suitable separation methods will make it possible to use wood as a comparatively cheap and renewable resource in various new ways.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
In Vitro Reconstitution of Formylglycine-Generating Enzymes Requires Copper(I)
Knop Matthias, Engi Pascal, Lemnaru Roxana, Seebeck Florian P. (2015), In Vitro Reconstitution of Formylglycine-Generating Enzymes Requires Copper(I), in Chembiochem, 16(15), 2147-2150.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Chemisches Kolloquium, GESELLSCHAFT DEUTSCHER CHEMIKER Individual talk Mechanism of oxidative sulfur transfers 08.06.2016 Bielefeld, Germany Seebeck Florian;
Botanisches Kolloquium Individual talk Chemical challenges and opportunities in biomass degradation 10.12.2015 Basel, Switzerland Seebeck Florian;
Expo Milano Talk given at a conference Is wood the new plastic? 22.05.2015 Mailand, Italy Knop Matthias; Seebeck Florian;
Structural Biology in the BioEconomy Talk given at a conference Wood degradation as oxidative stress 01.12.2012 Kapstadt, Switzerland Seebeck Florian;
Plants replacing fossil fuels Talk given at a conference Wood degradation as oxidative stress 08.11.2012 Zürich, Switzerland Seebeck Florian;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Talks/events/exhibitions Forschen im Dienste der Nachhaltigkeit German-speaking Switzerland 2015
Talks/events/exhibitions Variations in lignin biochemistry German-speaking Switzerland 2014
Talks/events/exhibitions Wie Mikroben den Gang der Welt beschleunigen German-speaking Switzerland 2014
Media relations: print media, online media Bäume in Flaschen 20Minuten German-speaking Switzerland 2012
Talks/events/exhibitions Naturforschenden Gesellschaft Basel German-speaking Switzerland 2012

Awards

Title Year
Zasshikai Lectureship Award 2014, Tokyo University 2014

Abstract

Lignocellulose could be the prime feedstock for sustainable production of liquid transportation fuel, advanced materials and fine chemicals and replace fossil fuels as raw material. While biocatalytic processing of cellulose to ethanol is close to commercialization, little progress has been made in valorization of lignin, the polyaromatic component of woody materials. We plan a systematic investigation of protein:lignin interactions. In depth characterization of such interactions is a crucial prerequisite to use proteins for lignin modification, or to use modified lignins for protein production. Using engineered protein:lignin interactions we propose to develop microorganisms which may effect lignin valorification under industrially viable conditions. Several approaches to employ enzyme engineering and chemical lignin modification for the production of high-value materials based on lignin are discussed.
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