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Biotechnologie: Gentechnisch verändertes Bakterium spaltet Zellulose

Katze auf HolzstoßLaden...

Forscher haben einen Mikroorganismus konstruiert, der Biomasse in einzelne Zucker aufspaltet. Ein Team um Jay Keasling von der University of California übertrugen die Gene für vier entscheidende Enzyme auf das Bakterium Escherichia coli, die in mehreren Schritten aus dem Polymer Zellulose die einzelnen Glukoseeinheiten freisetzt. Das Bakterium kann sich so direkt von Zellulose ernähren. Bisher mussten die nötigen Enzyme in einem separaten Schritt biotechnisch produziert werden, um Zucker für die Bakterien freizusetzen.

Pflanzen bestehen zu einem beträchtlichen Teil aus Zellulose, einem Polymer aus Glukosebausteinen. Diesen energiereichen Zucker können Mikroorganismen als Nahrung nutzen und zu allerlei nützlichen Stoffen umsetzen – zum Beispiel Ethanol oder Biodiesel. Während die Biosynthese von verschiedenen Chemikalien aus Zuckern mit Hilfe geeigneter Organismen inzwischen Routine ist, ist die Spaltung der Zellulose in ihre einzelnen Zuckerbausteine technisch noch sehr aufwändig – dies übernimmt normalerweise ein Enzym aus der Klasse der Glykosidhydrolasen, das man dazu separat in großen Mengen herstellen muss. Dies ist der aufwändigste Teil des Prozesses, und die Glykosidhydrolase ist abgesehen vom Rohmaterial selbst die teuerste Komponente des gesamten Prozesses.

Um dem abzuhelfen, konstruierten die Forscher um Keasling zwei Hybrid-Gene, deren einer Teil die Glykosidhydrolasen Zellulase und Xylanase kodiert, der andere dagegen ein Proteinfragment, dass Enzyme zum Export aus der Zelle markiert. So scheidet das Bakterium die Enzyme in die Umgebung aus, wo sie die Zellulose in kleinere Bausteine zerlegen können. Allerdings sind auch diese Bruchstücke für die Bakterien noch unverdaulich, so dass die Forscher ihnen eine Beta-Glykosidase und eine Cellobiosidase einbauten, die in der Lage sind, die löslichen Abbauprodukte der Zellulose zur Glukose umzusetzen.

In Wachstumsexperimenten waren die so hergestellten Bakterien tatsächlich in der Lage, auf vorbehandelter Pflanzenbiomasse zu wachsen, im Gegensatz zu unveränderten Bakterien. In gemeinsamer Kultur mit einem Biodiesel-produzierenden E.-coli-Stamm erzeugten diese Bakterien tatsächlich Biokraftstoff. Allerdings ist die Ausbeute des Verfahrens derzeit noch sehr gering, und die Biomasse muss mit einer ionischen Flüssigkeit vorbehandelt werden – was selbst ein sehr teures Verfahren ist.

48. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 48. KW 2011

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  • Quellen
Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A. 10.1073/pnas.1106958108, 2011

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