Bakterien für klimaneutrale Chemikalien der Zukunft

Um verschiedene Chemikalien wie etwa Plastik, Farbstoffe oder k¨¹nstliche Aromen herzustellen, ist die chemische Industrie derzeit auf fossile Rohstoffe wie Erd?l angewiesen. ?Weltweit verbraucht sie 500 Millionen Tonnen pro Jahr, also mehr als eine Million Tonnen pro Tag?, sagt Julia Vorholt, Professorin am Institut f¨¹r Mikrobiologie an der ETH Z¨¹rich. ?Da die chemischen Umwandlungen sehr energieaufw?ndig sind, ist der CO₂-Fussabdruck der chemischen Industrie sogar noch sechs bis zehn Mal gr?sser: Er bel?uft sich auf etwa f¨¹nf Prozent des gesamten weltweiten Ausstosses.? Mit ihrem Team sucht sie deshalb nach M?glichkeiten, wie sich die Abh?ngigkeit der chemischen Industrie von fossilen Brennstoffen verringern liesse.

Gr¨¹nes Methanol

Dabei stehen Bakterien im Zentrum, die sich von Methanol ern?hren, die also im Fachjargon methylotroph sind. Methanol besitzt ein einziges Kohlenstoffatom und geh?rt damit zu den einfachsten organischen Molek¨¹len. Es kann aus dem Treibhausgas Kohlendioxid und Wasser hergestellt werden. Stammt die Energie f¨¹r diese Synthesereaktion aus erneuerbaren Quellen, wird das Methanol als gr¨¹n bezeichnet.

?Es gibt nat¨¹rliche Methylotrophe, aber sie industriell zu nutzen, bleibt trotz grossem Forschungsaufwand schwierig?, sagt Michael Reiter, Postdoktorand in Vorholts Forschungsgruppe, die stattdessen mit dem in der Biotechnologie bestens bekannten Modellbakterium Escherichia coli arbeitet. Das Team um Vorholt verfolgt schon seit mehreren Jahren die Idee, das auf Zucker wachsende Modellbakterium mit der F?higkeit auszustatten, Methanol biochemisch zu verwerten.

Vollst?ndige Umstrukturierung des Stoffwechsels

?Das ist eine grosse Herausforderung, denn daf¨¹r braucht es eine vollst?ndige Umstrukturierung des Stoffwechsels?, sagt Vorholt. Zun?chst simulierten die Forschenden diese Umstellung mit Computermodellen. Dann entfernten sie gezielt zwei Gene und schleusten daf¨¹r drei zus?tzliche Gene ein. ?Dadurch konnten die Bakterien das Methanol aufnehmen, wenn auch nur in geringen Mengen?, sagt Reiter.

Daraufhin z¨¹chteten sie die Bakterien mehr als ein Jahr unter speziellen Bedingungen im Labor weiter, bis die Umstellung gelungen war ¨C und die Mikroben alle Zellbestandteile aus Methanol herstellen konnten. Im Laufe von rund 1000 weiteren Generationen wurden diese sogenannten synthetischen Methylotrophen immer effizienter, so dass sie sich schliesslich alle vier Stunden verdoppelten, wenn sie ausschliesslich mit Methanol gef¨¹ttert wurden. ?Die verbesserte Wachstumsrate macht die Bakterien wirtschaftlich interessant?, sagt Vorholt.

Optimierung durch Funktionsverlust

Wie das Team um Vorholt im soeben ver?ffentlichten externe Seite Fachbeitrag darlegt, sind mehrere zuf?llig entstandene Mutationen f¨¹r die erh?hte Effizienz der Methanol-Verwertung verantwortlich. Die meisten dieser Mutationen f¨¹hrten zum Funktionsverlust verschiedener Gene. Das ist auf den ersten Blick erstaunlich, bei genauerer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass die Zellen dank dem Funktionsverlust der Gene Energie einsparen k?nnen. So bewirken etwa einige Mutationen, dass die Umkehrreaktionen von wichtigen biochemischen Reaktionen ausfallen. ?Dadurch werden ¨¹berfl¨¹ssige Kreisl?ufe vermieden ¨C und die Stoffwechselfl¨¹sse in den Zellen optimiert?, schreiben die Forschenden.

Um das Potenzial der synthetischen Methylotrophen f¨¹r die biotechnologische Produktion industriell relevanter Massenchemikalien auszuloten, haben Vorholt und ihr Team die Bakterien mit zus?tzlichen Genen f¨¹r vier verschiedene Biosynthesewege ausger¨¹stet. In ihrer Studie zeigen sie nun, dass die Bakterien tats?chlich in allen F?llen die gew¨¹nschten Verbindungen herstellten.

Vielseitige Produktionsplattform

F¨¹r die Forschenden ist das ein deutlicher Beleg, dass ihre hochgez¨¹chteten Bakterien einl?sen, was sie sich urspr¨¹nglich von ihnen versprochen hatten: Die Mikroben sind eine Art hochversatile Produktionsplattform, in die man nach dem ?Plug-and-Play?-Prinzip Biosynthesemodule einbauen kann, die die Bakterien dazu veranlassen, das Methanol in eine beliebige biochemische Substanz umzuwandeln.

Allerdings m¨¹ssen die Forschenden die Ausbeute und die Produktivit?t noch erheblich steigern, um eine wirtschaftlich tragf?hige Verwendung der Bakterien zu erm?glichen. Vorholt und ihr Team haben k¨¹rzlich Innovationsf?rdermittel erhalten, ?um die Pl?ne in Richtung Anwendung weiter auszubauen und herauszufinden, auf welche Produkte wir uns zuerst konzentrieren?, sagt Vorholt.

Wenn Reiter davon erz?hlt, wie sich die Kultivierung der Bakterien in Bioreaktoren optimieren l?sst, spr¨¹ht er vor Tatendrang. ?Angesichts der Klimaerw?rmung ist klar, dass es Alternativen zu fossilen Rohstoffen braucht?, betont er. ?Wir entwickeln eine Technologie, die kein zus?tzliches CO₂ in die Atmosph?re entl?sst?, sagt Reiter. Und da die synthetischen Methylotrophen ausser dem gr¨¹nen Methanol keine weiteren Kohlenstoffquellen f¨¹r ihr Wachstum und ihre Produkte ben?tigten, erlaubten sie es, ?erneuerbare Chemikalien herzustellen, die die Umwelt nicht belasten?.