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Synthetische Biologie: Gentechnisch veränderte Bakterien sparen Kohlendioxid

Ein besonderer Typ von ohne Sonne und Sauerstoff lebenden Bakterien stellt Chemikalien aus Kohlendioxid her. Die gentechnisch veränderten Keime könnten so Industrie und Klima helfen.
Darstellung von Bakterien in Kultur

Kohlendioxid ist ein Treibhausgas, kann aber auch als wichtiger Rohstoff zur Produktion verschiedener chemischer Verbindungen dienen. Einige Forschergruppen arbeiten daher daran, CO2 abzufangen und sinnvoll zu verwerten, bevor es in die Atmosphäre gelangt. Ein Forscherteam beschreibt nun in »Nature Biotechnology« einen Fortschritt, mit dem Kohlendioxid in ansehnlichen Mengen von gentechnisch veränderten Bakterien in industriell nützliche chemische Basisbausteine verwandelt wird.

Das Team hat dazu mit Gentechnik Clostridium-autoethanogenum-Bakterien verändert. Diese so genannten autotrophen Bakterien gehören zu den Acetogenen, ihr Stoffwechsel verwertet demnach ohne Sonnenlicht und Sauerstoff verschiedene kleine organische Moleküle mit einem oder wenigen Kohlenstoffatomen. Sie gewinnen dabei im Wesentlichen durch Carbonatatmung Energie, übertragen also Elektronen von Wasserstoff zum Beispiel auf CO2. Die Forschergruppe um Fungmin Eric Liew von der Northwestern University hat die natürliche Leistungsfähigkeit der Bakterien nun gesteigert und den Prozess technisch so optimiert, dass die Clostridium-Kulturen Chemikalien wie Aceton und Isopropanol aus CO2 produzieren. Beide Substanzen stellen die Bakterien in der Natur sonst nicht her.

Die Kohlenstoffbilanz des Prozesses ist dabei negativ, dass heißt, die Bakterien fixieren mehr Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid, als sie freisetzen. Dies ist wesentlich, weil der Prozess nur so Kohlendioxid in der Atmosphäre reduzieren kann. Das ist bei gängigen Verfahren nicht der Fall, bei denen Bakterien dazu eingesetzt werden, chemische Verbindungen herzustellen: Typischerweise nutzt man Zucker als Rohstoff für Gärungsprozesse von Bakterien wie E. coli. Dabei fällt aber unter dem Strich eine Menge an Treibhausgas an, schon allein, um die verwertbaren Zucker zu gewinnen.

Liew und seine Kolleginnen und Kollegen hatten bereits zuvor Clostridium-Bakterien optimiert, so dass der Keim Ethanol produziert. Die neue Version ihres gentechnisch veränderten Bakteriums scheidet unter günstigen Bedingungen nun deutlich mehr Aceton und Isopropanol ab, als dies zuvor gelungen war. Beide Chemikalien werden in der Industrie in weitaus größeren Mengen verwendet; bei ihrer industriellen Herstellung aus Gas und Öl fällt aber viel CO2 an; diese Menge an CO2 könnte in Zukunft mit den gentechnisch veränderten Bakterien vermieden werden. Zudem könnten sie so verändert werden, dass sie auch andere einfache chemische Bausteine von industrieller Bedeutung produzieren.

In einem Begleitkommentar zum Forschungsartikel in »Nature Biotechnology« berechnen die Chemiker Corinne D. Scown and Jay D. Keasling, wie viel Treibhausgas theoretisch eingespart werden könnte, wenn alle derzeit aus Öl oder Gas für die Industrie produzierten Chemikalien durch kohlenstoffneutrale synthetische biologische Prozesse hergestellt würden. Ohne Ammoniak fällt dabei rund eine Gigatonne CO2 jährlich an. Dies seien zwar nur etwa zwei Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen pro Jahr, die chemische Industrie sei aber immerhin der drittgrößte Verursacher von CO2 nach der Zementproduktion und der Stahlindustrie.

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