{"id":56828,"date":"2018-09-25T07:26:26","date_gmt":"2018-09-25T05:26:26","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=56828"},"modified":"2021-09-09T21:33:21","modified_gmt":"2021-09-09T19:33:21","slug":"mikroben-in-co2-verwerter-verwandeln","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mikroben-in-co2-verwerter-verwandeln\/","title":{"rendered":"Mikroben in CO2<\/sub>-Verwerter verwandeln"},"content":{"rendered":"

Wenn es um den Klimawandel geht, ist schnell die Rede vom Treibhausgas Kohlendioxid. Bis 2020 soll Deutschland die Treibhausgasemissionen gegen\u00fcber 1990 um 40 Prozent senken, so lautet der Plan der Bundesregierung \u2013 eine Vorgabe, die das Umweltbundesamt inzwischen f\u00fcr nicht mehr umsetzbar h\u00e4lt. Um dennoch das Ziel der CO2-Neutralit\u00e4t ab 2050 erreichen zu k\u00f6nnen, k\u00f6nnte neben der Vermeidung des Treibhausgases ein weiterer Ansatz relevant werden: dessen Verwertung.<\/p>\n

Kohlendioxid als Rohstoff
\nIn der organischen Chemie sind zahlreiche Reaktionen bekannt, wie Kohlendioxid zu chemischen Grundprodukten verbaut werden k\u00f6nnte, die sonst meist aus der Petroindustrie stammen. Weil diese Reaktionen jedoch erhebliche Mengen Energie ben\u00f6tigen, gilt dieser Ansatz weithin als \u00f6konomisch wie \u00f6kologisch uninteressant.\u00a0Es gibt jedoch jemanden, der seit Millionen von Jahren davon lebt, Kohlendioxid in h\u00f6herwertige Verbindungen zu verwandeln: bestimmte Bakterienarten. Dank ihrer perfekt adaptierten Enzyme gelingt es den Mikroorganismen, chemische Reaktionen mit einer Effizienz umzusetzen, die auf herk\u00f6mmliche Weise unerreichbar ist. Die Biotechnologie macht sich diese Eigenschaften zunutze und versucht, Bakterien als Chemiefabriken zu verwenden.<\/p>\n

Urt\u00fcmliches Bakterium als Chemiefabrik
\nHier setzt das europ\u00e4ische Forschungsprojekt \u201eCO2Chem – Biologische Konversion von CO2 zur Plattform-Chemikalie 3-Hydroxypropans\u00e4ure<\/a>\u201c. Es soll, wie der Name schon sagt, einen Weg realisieren, um aus Kohlendioxid mit biotechnologischen Mitteln 3-Hydroxypropans\u00e4ure zu produzieren \u2013 eines der von der Industrie am dringlichsten gew\u00fcnschten Verfahren. An dem internationalen Projekt mit Partnern aus Gro\u00dfbritannien, D\u00e4nemark und Deutschland ist auch die Arbeitsgruppe um Volker M\u00fcller von der Johann-Wolfgang-Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt. Sie arbeitet seit vielen Jahren mit dem Bakterium\u00a0Acetobacterium woodii. Es z\u00e4hlt zu den acetogenen Bakterien, die sich von Wasserstoff, Stickstoff und eben Kohlendioxid ern\u00e4hren k\u00f6nnen. Sogar das f\u00fcr viele Lebewesen giftige Kohlenmonoxid verwertet\u00a0A. woodii\u00a0\u2013 ein Hinweis auf Stoffwechselwege, die wahrscheinlich aus der Fr\u00fchzeit irdischen Lebens stammen.<\/p>\n

\u201eEs war lange vollkommen unklar, wie diese Bakterien damit ihre Biomasse aufbauen\u201c, erl\u00e4utert M\u00fcller. Er selbst hat dazu beigetragen, anhand eines Modellorganismus\u2018 zu zeigen, wie aus diesen Rohstoffen die Umsetzung zu Essigs\u00e4ure erfolgt. Vor rund zehn Jahren folgte dann die Frage, ob sich Bakterien, die Kohlendioxid als Substrat verwenden, biotechnologisch nutzen lassen. \u201eIn Deutschland arbeiten daran nur wenige Gruppe, weil man die Mikroorganismen in einem anoxischen, mit Stickstoff gef\u00fcllten speziellen Zelt halten muss. Sauerstoff w\u00e4re f\u00fcr die Bakterien t\u00f6dlich\u201c, begr\u00fcndet M\u00fcller. \u201eDas ist nicht einfach zu handhaben.\u201c<\/p>\n

Keine Nahrungsmittelkonkurrenz
\nDie potenziellen Vorteile \u00fcberwiegen f\u00fcr den Mikrobiologen jedoch: \u201eAndere Bakterien nutzen oft Zucker als Substrat\u201c – biotechnologische Prozesse st\u00fcnden damit in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln. Selbst die Prozesse, die pflanzliche Abf\u00e4lle als Rohstoff verwenden, k\u00f6nnen nicht mithalten, denn die Bakterien, mit denen M\u00fcller arbeitet, \u201emachen aus einem sch\u00e4dlichen Klimagas etwas Sinnvolles\u201c.<\/p>\n

Noch ist es allerdings nicht so weit. Zwar hat das Projekt im M\u00e4rz 2015 begonnen, doch es l\u00e4uft noch bis Ende 2018. Rund 380.000 Euro hat M\u00fcller f\u00fcr sein Teilprojekt aus dem ERA-Net Industrielle Biotechnologie (ERA-IB 5) erhalten, seine Partner, Forschende an der Universit\u00e4t Ulm und die Firma Siemens, zus\u00e4tzlich rund 470.000 bzw. 270.000 Euro.\u00a0Als Erstes mussten aus den Datenbanken bekannter Gene vielversprechende Kandidaten f\u00fcr Enzyme ausgew\u00e4hlt werden, die im Bakterium die n\u00f6tigen chemischen Umwandlungen vornehmen \u2013 denn von CO2 zu 3-Hydroxypropans\u00e4ure ben\u00f6tigen die Bakterien mehrere Zwischenschritte: Essigs\u00e4ure, Brenztraubens\u00e4ure, Milchs\u00e4ure. Von Natur aus kommt A. woodii nur bis zur Essigs\u00e4ure, einem Produkt, f\u00fcr das ein biotechnologischer Prozess wirtschaftlich nicht so interessant ist.<\/p>\n

Enzyme einbauen und testen
\nDie Partner an der Universit\u00e4t Ulm erzeugen zun\u00e4chst ma\u00dfgeschneiderte Transportsysteme mit den Kandidatengenen, sogenannte Plasmide, und schleusen diese in den einfacher zu handhabenden Modellorganismus Escherichia coli ein. An M\u00fcller und seinem Team ist es dann zu \u00fcberpr\u00fcfen, ob diese Gene erfolgreich in das Erbgut der Bakterien aufgenommen wurden und vor allem, ob und in welchem Ma\u00dfe die von ihnen codierten Enzyme das jeweilige Produkt herstellen.<\/p>\n

Im 500-Milliliter-Volumen vermehren die Forscher dazu die Bakterien und schlie\u00dfen die Zellen am Ende durch einen pl\u00f6tzlichen Druckabfall auf. Rund 3.800 unterschiedliche Enzymarten schwimmen dann in der resultierenden Br\u00fche. Je nachdem, um welche Zielenzyme es sich handelt, l\u00e4sst sich deren Aktivit\u00e4t durch individuelle Tests nachweisen und messen \u2013 mal spektroskopisch, mal durch Hochleistungsfl\u00fcssigkeitschromatographie. All das muss unter Luftausschluss erfolgen, denn die Enzyme sind \u2013 ebenso wie Bakterien, aus denen sie urspr\u00fcnglich stammen \u2013 empfindlich gegen Sauerstoff. Diese Enzymtests zu entwickeln und durchzuf\u00fchren, ist eine der St\u00e4rken von M\u00fcllers Arbeitsgruppe.<\/p>\n

Zwischenziel erreicht
\n\u201eSchwierig wird es vor allem dann, wenn man die Substrate f\u00fcr die Enzyme nicht kaufen kann, sondern selbst herstellen muss\u201c, berichtet M\u00fcller. Dann m\u00fcssen die Forscher erst andere Enzyme finden, die das Substrat erzeugen. Trotzdem ist inzwischen ein Zwischenziel des Projektes erfolgreich abgeschlossen: Der Projektverbund hat ein Enzym identifiziert, dass den Schritt von der Brenztraubens\u00e4ure zur Milchs\u00e4ure meistert. \u201eWir haben auch schon einen Kandidaten f\u00fcr den n\u00e4chsten Schritt\u201c, betont M\u00fcller.<\/p>\n

Sind die richtigen Enzyme f\u00fcr die gesamte Reaktionskette gefunden, m\u00fcssen sie noch in A. woodii eingeschleust werden. \u201eIn E. coli w\u00e4re der Herstellungsprozess wohl nicht m\u00f6glich, da einige Enzyme au\u00dfergew\u00f6hnliche Cofaktoren und Metallfaktoren ben\u00f6tigen\u201c, erl\u00e4utert der Mikrobiologe. F\u00fcr die sp\u00e4tere industrielle Anwendung m\u00fcssten der Organismus und die Bedingungen der Kultivierung dann wohl weiter optimiert werden, um die Produktausbeute zu erh\u00f6hen und so zu einem \u00f6konomisch interessanten Prozess zu f\u00fchren. Als Substrat denkt M\u00fcller vor allem an Synthesegas, das in zahlreichen Industrieprozessen als Abfall anf\u00e4llt. Erste biotechnologische Anlagen, die auf diese Weise einfache Plattformchemikalien erzeugen, sind bereits in Betrieb.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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