Bachelor-/Masterarbeit mit dem vorläufigen Titel: " Charakterisierung von Cellulasen und Xylanasen für den Biomasse-Abbau" Projektbeschreibung: Lignocellulose ist aus den Hauptbestandteilen Cellulose, Hemicellulose und Lignin aufgebaut. Cellulose-Ketten bestehen aus Glucose-Monomeren. Hemicellulose ist ein heterogenes Polysaccharid bestehend aus Pentosen wie z. B. Xylose und Arabinose und Hexosen wie z. B. Glucose, Mannose und Galactose. Die Verzuckerung dieser Komponenten kann mit Hilfe des enzymatischen Abbaus erfolgen. Endoglucanasen (EC 3.2.1.4) hydrolysieren die β-1,4-glycosidischen Bindungen innerhalb von amorphen Regionen der Cellulose. Endoxylananasen (EC 3.2.1.8) spalten die β-1,4-glycosidischen Bindungen innerhalb des Rückgrats der Hemicellulose Xylan. Für eine mögliche Anwendung von Enzymen in industriellen Prozessen sind hohe Aktivitäten und Stabilitäten unter rauen Prozessbedingungen gefordert. Thermophile Mikroorganismen wachsen optimal bei hohen Temperaturen und ihre Enzyme sind im Allgemeinen stabiler im Vergleich zu Enzymen aus Mesophilen. Ziel dieser Arbeit ist es, neue Cellulase- und Xylanase-kodierende Gene aus thermophilen Organismen zu klonieren und die Enzyme rekombinant zu produzieren. Nach der intrazellulären Expression in Escherichia coli werden die Zellen aufgeschlossen und die entsprechenden Enzyme gereinigt. Für mögliche Anwendungsgebiete soll eine umfangreiche Charakterisierung angeschlossen werden. Diese beinhaltet die Untersuchung des Substratspektrums und der spezifischen Aktivitäten. Des Weiteren soll der Einfluss verschiedener Parameter, wie z. B. von Temperatur und pH-Werten, als auch der Einfluss unterschiedlicher Inhibitoren auf die Enzymaktivität aufgenommen werden. Aufgaben: ! Klonierung von Cellulase- und Xylanase-kodierenden Genen ! Rekombinante Proteinproduktion in E. coli ! Reinigung der Enzyme ! Charakterisierung von Cellulasen und Xylanasen Zeitspanne: Nach Absprache Betreuerin: Dr. Carola Schröder Institute of Technical Microbiology Kasernenstr. 12, Room 2.16 Tel.: 040/42878-4714 [email protected] Bachelor-/Masterarbeit entitled: "Characterization of cellulases and xylanases for the degradation of biomass" Project description: Lignocellulosic biomass is composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose is composed of glucose monomers. Hemicellulose is a heterogenous polysaccharide composed of pentoses such as xylose and arabinose and hexoses such as glucose, mannose and galactose. Saccharification of these components can be achieved by enzymatic degradation. Endoglucanases (EC 3.2.1.4) hydrolyze the β-1,4-glycosidic bonds randomly within amorphous regions of cellulose. Endoxylanases (EC 3.2.1.8) cleave the β1,4-glycosidic bonds within the backbone of the hemicellulose xylan. High activity and stability under harsh conditions is mandatory for the application of enzymes in industrial processes. Thermophilic microorganisms grow at high temperatures and generally produce enzymes that are more stable compared to enzymes derived from mesophiles. The goal of this project is the cloning of novel cellulase- and xylanase-encoding genes from thermophiles for recombinant production of the respective enzymes. Intracellular expression will be performed with Escherichia coli followed by cell disruption and enzyme purification. To evaluate the fields of application of the respective enzyme, a broad characterization is targeted. This includes analyses of substrate utilization and specific activities. Furthermore, the influence of various parameters, such as temperature and pH values, as well as the influence of different inhibitors on the enzyme activity will be investigated. Specific topics: ! Cloning of cellulase- and xylanase-encoding genes ! Recombinant protein production in E. coli ! Purification of enzymes ! Characterization of cellulases and xylanases Time span: according to prior agreement Supervisor: Dr. Carola Schröder Institute of Technical Microbiology Kasernenstr. 12, Room 2.16 Tel.: 040/42878-4714 [email protected] Bachelorarbeit / Studienarbeit / Masterarbeit From activity screening to enzyme characterization - Identification of novel hydrolases for industrial applications Introduction Extremophiles are a treasure chest of industrial relevant enzymes, so called extremozymes. Since these Bacteria and Archaea are able to withstand extremes of temperatures from the freezing point of water to above 100°C, their enzymes are often superior to withstand harsh conditions present in industrial processes. Different types of hydrolases including starch-hydrolyzing enzymes, esterases, lipases and cellulose-degrading enzymes are of importance in pharmaceutical, textile, feed, food and other industries. Aim of the study Generation of gene libraries based on genomic composition from extremophilic microorganisms to screen for versatile hydrolase activities. Identified genes will be isolated and cloned to produce proteins in recombinant form. Novel proteins shall be tested under relevant process conditions for industrial use. Methods Molecular and microbiological techniques: Cultivation, DNA isolation, Cloning procedures, Generation of gene libraries, Polymerase chain reaction Biochemical techniques: Protein production and purification, enzyme characterization Know-How Basic theoretical knowledge in molecular biology and biochemistry is mandatory for this project. Applicants for Master Projects should have done their Bachelor Project and/or should have practical experience in basic molecular biology and microbiology techniques such as cultivation of microorganisms, isolation of DNA and/or cloning. Project start Upon request. Contact Dr. Skander Elleuche - “Institute of Technical Microbiology” - [email protected] ! Projektarbeit mit dem Titel: "Screening nach industrierelevanten Hydrolasen“ Projektbeschreibung: Wirkung(verschiedener(Stärke2hydrolysierender(Enzyme( (http://www.sternenzym.de/deutsch/enzyme/index.html)! Stärke-spaltende Enzyme gehören zu den wichtigsten industriell genutzten Biokatalysatoren. Da Stärke neben α-1,4-glykosidisch verknüpften Glukosemolekülen auch α-1,6-glykosidische Verzweigungen aufweist, werden neben Amylasen und Glucoamylasen, die α-1,4-glykosidische Bindungen spalten, auch Pullulanasen genutzt, um spezifisch die α-1,6-glykosidischen Bindungen der Stärke zu hydrolysieren. Auf Grund ihrer Eigenschaft als Endoenzyme, innerhalb des Stärkemoleküls α-1,4-glykosidische Bindungen zu spalten, sind insbesondere α-Amylasen von großem Interesse für die Industrie.! Konkrete Inhalte: ! Erstellung einer Metagenombank ! Screening der erstellten Metagenombank nach Amylasen Bei entsprechendem Fortschritt der Entwicklung kann die Arbeit auf folgende Themen ausgeweitet werden: ! Analyse positiver Metagenombankklone ! Klonierung der positiven Metagenombankklone Bearbeitungszeitraum: nach Absprache Betreuerin: Neele Meyer (M.Sc.) Institut für Technische Mikrobiologie Kasernenstr. 12, Raum 2.18 Tel.: 040/42878-3334 [email protected]