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Alternative Energien: Designer-Bakterium stellt Biodiesel und Fette her

Darmbakterium Escherichia coliLaden...
An allen Fronten forschen Wissenschaftler derzeit an gentechnisch veränderten Organismen, die Treibstoffe und weitere nützliche Substanzen produzieren – und zwar bevorzugt aus Agrarabfällen und anderem leicht verfügbarem Material. Während die Erzeugung des Endprodukts in vielen Fällen bereits gemeistert wird, nähern sich Wissenschaftler dem Ziel Resteverwertung eher in kleinen Schritten.

So haben jetzt Forscher der University of California in Berkeley das Darmbakterium Escherichia coli dazu gebracht, Biodiesel und eine Auswahl verschiedener Fettalkohole zu produzieren. Gegenüber ähnlichen Ansätzen in der Vergangenheit seien ihnen dabei zwei entscheidende Weiterentwicklungen gelungen, erklärt das Team um den Bioingenieur Jay Keasling: Zum einen bauten sie alle erforderlichen Werkzeuge für Stoffumwandlung in die Bakterienzelle selbst ein. Und zum anderen stellt diese nun das Endprodukt nicht mehr aus Zucker, sondern aus Hemizellulose, einem Bestandteil von Zellwänden, her.

Anders als viele andere Forschergruppen setzen die Wissenschaftler um Keasling auf Biodiesel (Fettsäuremethylester) als Ersatz für herkömmliche fossile Treibstoffe und nicht auf alkoholhaltiges Biobenzin. Beides konnte man auch bislang schon zumindest im Prinzip mit der Hilfe von Bakterienkulturen herstellen: entweder indem man sie einfach nur den Alkohol produzieren ließ oder indem man sie dazu brachte, den hergestellten Alkohol mit zugesetzten Ölen und Fetten zu Biodiesel zu verestern. Dieses Verfahren kombinierten die Forscher nun zu einem einzigen Schritt, bei dem die Einzeller beide Bestandteile aus eigener Kraft produzieren. Das kosten- und energieintensive Zuführen von Fetten entfällt damit.

Über Eingriffe in die DNA lockerten Keasling und Kollegen dazu eine Bremse im Fettstoffwechsel von E. coli, das daraufhin unnatürlich viel Fette synthetisierte. Außerdem bauten sie ihm Fremdgene aus alkoholproduzierenden Bakterien ein. Durch kontrolliertes An- und Abschalten weiterer Enzyme konnte das Wissenschaftlerteam die Substanzen zu Biodiesel oder aber zu Fettalkoholen bestimmter Kettenlänge zusammensetzen lassen. Fettalkohole spielen eine wichtige Rolle als industrieller Rohstoff unter anderem für Kosmetika und Tenside. Derzeit werden sie überwiegend aus tierischen oder pflanzlichen Fetten erzeugt.

Bei ersten Experimenten mit den genmanipulierten Kolibakterien stellten die Wissenschaftler noch Glukose als Ausgangsmaterial zur Verfügung. Langfristiges Ziel fast aller derartiger Unternehmungen ist es aber, einen ähnlich leicht verdaulichen Zucker direkt durch Aufspaltung von Zellulose zu gewinnen. Mit Spezialenzymen, deren Bauanleitung sie aus dem Erbgut anderer Bakterien herausschnitten, verliehen Keasling und Kollegen ihrem E. coli-Stamm jetzt die Fähigkeit, so genannte Hemizellulose zu Holzzucker (Xylose) zu zerstückeln. Hemizellulose ist einer der Hauptbestandteile von pflanzlichen Zellwänden.

Noch krankt die Biotreibstoffproduktion in erheblichem Ausmaß daran, auf stärke- oder zuckerhaltige Pflanzen wie Mais oder Raps angewiesen zu sein, die dann der Nahrungsmittelproduktion nicht mehr zur Verfügung stehen. Zellulose hingegen fällt in großen Mengen bei der Land- und Forstwirtschaft an. Andere Forschergruppen versuchen ganz auf eine pflanzliche Basis zu verzichten und die notwendige Biomasse durch Fotosynthese treibende Organismen, wie beispielsweise Cyanobakterien, direkt zu erzeugen.

Weitere ungelöste Probleme betreffen die Frage, wie das Endprodukt aus den Zellen entfernt werden kann, und die mitunter recht geringe Toleranz der Organismen gegenüber der von ihnen hergestellten Substanz: Beispielsweise sterben ab einer gewissen Alkoholkonzentration die Bakterien ab und verringern dadurch drastisch den Ertrag. (jd)
4. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 4. KW 2010

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  • Quellen
Steen, E.J. et al.: Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass. In: Nature 10.1038/nature08721, 2010.

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