Bachelor-/Masterarbeit - technical

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:
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Erstellung einer Metagenombank
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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]