Forschung

Kohlenhydrate, auch Glykane genannt, sind die am häufigsten vorkommenden Biopolymere auf der Erde. Sie sind essenziell für alle bekannten Lebewesen, aber ihre Bedeutung ist vielleicht bei Pflanzen am augenfälligsten. Diese nutzen Glykane als ihr Hauptbaumaterial und umhüllen ihre Zellen mit einer komplexen Glykanwand, die für ihr Wachstum, ihre Abwehr und ihre interzelluläre Kommunikation von zentraler Bedeutung ist. Die pflanzliche Zellwand ist jedoch auch außerordentlich komplex, und die molekulare Struktur ihrer zahlreichen Glykanbestandteile ist nach wie vor kaum verstanden, da herkömmliche Analysemethoden mit der immensen Komplexität dieser Moleküle überfordert sind. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Struktur der Glykane in der Pflanzenzellwand (wie Hemicellulosen, Pektinen und Arabinogalactanen) durch die Entwicklung neuartiger Analysemethoden auf Basis der Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IM-MS) zu entschlüsseln. Die Auflösung isomerer Strukturen und die Identifizierung neuartiger Strukturmotive in pflanzlichen Polysacchariden sind zentrale Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, um ein besseres Verständnis der Zellwandstrukturen zu erlangen. Um dies zu realisieren, werden wir zunächst multidimensionale LC-IM-MS-Workflows entwickeln und eine pflanzliche Glykan-Datenbank aufbauen, die auf der einzigartigen Sammlung synthetischer pflanzlicher Oligosaccharid-Standards der Pfrengle-Gruppe basiert. Diese Methode wird dann zur Untersuchung von Arabidopsis thaliana-Mutanten mit Zellwanddefekten angewendet, um die Rolle bestimmter Gene bei der Bildung definierter Strukturmotive in der Pflanzenzellwand aufzudecken. Durch die Gewinnung molekularer Einblicke in die wichtigsten strukturellen Bausteine der Zellwand wird unser Projekt grundlegende Erkenntnisse liefern, die unser Verständnis der Zellwandbildung und der Struktur-Funktions-Beziehungen, die ihre vielfältigen Aufgaben in Pflanzen von der Entwicklung bis zur Immunität bestimmen, voranbringen werden.

Als interdisziplinäres, integratives Vorhaben im Kontext Circular Economy ist die massenspektrometrische Charakterisierung von Abbauprodukten, die bei verschiedenen Behandlungsmethoden von technischen Ligninen und Ligninmodifikationen erhalten werden, geplant. Diese komplexen Analysendaten sollen dann über einen bioinformatischen Ansatz zusammen mit einer Vielzahl von anderen verfahrens- und substanzspezifischen Daten in Datenbanken verarbeitet werden und für die Prozessoptimierung verwendbar sein. Zusätzlich zu dieser kooperativen Forschung behandelt das Projekt auch einen absolut neuen Aspekt im Bereich der Interaktion von Metallen mit Molekülen. Es ist die Erstellung eines atlas of metal-binding small molecules geplant - dieses wird in die bestehende Forschung des Instituts am Gebiet der Metallspuren- und Ultraspurenanalyse in der aquatischen Umwelt und der Rhizosphäre integriert.

Wasserlösliche Polymere (WSP) sind wichtige und leistungsstarke Inhaltsstoffe von Produkten für Körperpflege und Haushaltsanwendungen – mit einer jährlichen globalen Produktion von über 1 Million Tonnen und einer Marktnachfrage, die voraussichtlich weiter steigen wird. Ein nachhaltiges End-of-Life-Management für WSPs ist derzeit eine der größten Herausforderungen für die Polymergemeinschaft. In diesem Zusammenhang haben biologisch abbaubare Alternativen zu persistenten WSPs großes Interesse aus verschiedenen Sektoren geweckt – einschließlich der Industrie, Regulierung, Wissenschaft und Öffentlichkeit. Trotz dieses Interesses ist unser grundlegendes Verständnis des biologischen WSP-Abbaus in natürlichen und technischen Systemen begrenzt. Besondere Wissenslücken betreffen i) biologische WSP-Abbaupfade ii) Mikroorganismen und Enzyme, die eine Schlüsselrolle im biologischen Abbau spielen iii) Polymer- und Umweltfaktoren, die den biologischen Abbau beeinflussen, sowie iv) analytische Methoden zur Untersuchung des biologischen Abbaus und zur Bewertung der Übertragbarkeit von Laborergebnissen auf realistische Szenarien. In einer gemeinsamen Bestrebung von Experten der Universität Wien, der BOKU und der BASF SE wird das CD-Labor für Biologischen Abbau von Wasserlöslichen Polymeren diese Wissenslücken angehen. Wir streben an, die Chemie und Mikrobiologie, die dem biologischen WSP-Abbau zugrunde liegt, fundamental zu verstehen und somit die dringend benötigte wissenschaftliche Basis für die Entwicklung von biologisch abbaubaren und leistungsstarken WSPs, sowie die Entwicklung wissenschaftsbasierter gesetzlicher Regulierungen zur biologischen Abbaubarkeit von WSPs, zu schaffen. Angesichts der weiten Verbreitung von WSPs in Haushalts- und Körperpflegeanwendungen und der daraus resultierenden Freisetzung in Abwasserströme liegt der Schwerpunkt der vorgeschlagenen Forschung auf dem biologischen Abbau in Abwasser- und Süßwassersystemen. WSP-Klassen von besonderem Interesse sind Polyaminosäuren und Polysaccharide, die als vielversprechend gelten, um Funktion während der Anwendung und Abbaubarkeit am Lebensende zu kombinieren. Das CD-Labor behandelt 3 Ziele: i) Identifizierung von Schlüsselfaktoren, die die Kinetik und Pfade des biologischen WSP-Abbaus beeinflussen ii) Ableiten von Verbindungen zwischen der Funktionsweise des Mikrobioms und des biologischen WSP-Abbaus iii) Entwicklung von analytischen Methoden, die detaillierte Untersuchungen des biologischen WSP-Abbaus, auch in realistischen Szenarien, ermöglichen. Das CD-Labor reagiert auf den aufkommenden Bedarf nach einem grundlegenden Verständnis des Verhaltens von WSPs in natürlichen und technischen Systemen. Durch interdisziplinäre und intersektorale Zusammenarbeit –und durch die Kombination von Fachwissen in Umweltchemie, Mikrobiologie und analytischer Chemie– werden wir transformative Einblicke in den biologischen Abbau von WSPs gewinnen. Zu den erwarteten Ergebnissen gehören aufgeklärte biologische Abbaupfade und identifizierte Zwischenprodukte; Abbauvorhersagen basierend auf charakterisierten Mikroorganismen und Enzymen; analytische Methoden zur Charakterisierung von WSPs und eine kritische Bewertung der Übertragbarkeit von Labortests auf realistische Szenarien. Diese Ergebnisse werden technologische und regulatorische Fortschritte ermöglichen und den Weg für eine nachhaltige Zukunft ebnen, in der Herausforderungen mit innovativen chemischen Lösungen und kollektiven Maßnahmen begegnet wird.