Mit Verfahren zur Ausnutzung von Cyanobakterien den Kohlenstoffkreislauf umkehren
Die Cyanobakterien, oft auch „Blaugrüne Bakterien“ genannt, sind ein Stamm primitiver Bakterien, die als Erfinder der Photosynthese gelten und Energie aus der Sonne sowie Kohlendioxid aus der Atmosphäre gewinnen, während sie außerdem Wasser und gelöste anorganische Nährstoffe aufnehmen, um sich zu entwickeln. Resultat dieses Prozesses sind organische Verbindungen (beispielsweise Kohlenhydrate und Proteine) und Biomasse sowie wertvolle chemische Verbindungen, die für den Menschen als Pharmazeutika oder als Bestandteile von Werkstoffen, etwa für Kunststoffe, von Nutzen sind. In jüngster Zeit gab es Versuche, einige Arten der Cyanobakterien genetisch zu verändern, um nützliche chemische Bausteine herzustellen, aber die Ausbeuten waren für praktische Anwendungen zu gering. Verfahren und Werkzeuge sind immer noch nicht so weit fortgeschritten wie die für Organismen wie zum Beispiel Hefe. Das EU-finanzierte Projekt Cynthetica, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, demonstrierte die genetische Veränderung eines erst vor kurzem entdeckten, schnell wachsenden Stammes von Cyanobakterien, der potenziell für die industrielle Produktion geeignet ist. Die Cyanobakterien exprimierten ein Protein innerhalb der Zelle, mit dem auf Biosynthesewegen „Gerüste“ und Verankerungspunkte für Enzyme geschaffen werden können, um die gewünschten chemischen Verbindungen herzustellen.
Das Gerüst, der Anker und das Einfangwerkzeug
Cyanobakterien verfügen von Natur aus über viele Membranen im Inneren ihrer Zellen und da einige Bakterien Membrangerüste herstellen und einsetzen, interessierte sich das Cynthetica-Team dafür, ob ähnliche Gerüste in Cyanobakterien gebildet werden können. „Wir wollten sehen, ob das Hinzufügen und Organisieren von mehr Enzymen auf den Membranen der Proteingerüste eine größere Menge der gewünschten chemischen Verbindungen ergeben könnte“, sagt Projektkoordinator Prof. Poul Erik Jensen. „Zu diesen Verbindungen zählen die Diterpene, die für die pharmazeutische Industrie von Interesse sind, da sie antimikrobielle und entzündungshemmende Eigenschaften aufweisen.“ Um Enzyme an das Membrangerüst zu binden, entwickelte das Team „Anker“ für die Membranen – eine an einem Ende des Proteins angesiedelte Strecke von Aminosäuren. Auch wenn das Ganze in Versuchen nachweislich funktionierte, konnte nur eine begrenzte Anzahl von Enzymen verankert werden. Zudem erschuf das Team im Inneren der Zelle ein „Einfangwerkzeug“ bzw. ein Kompartiment. Da einige chemische Zwischenprodukte (Produkte chemischer Reaktionen) für die Zelle giftig sein können, begrenzt deren Eindämmung den Schaden, den sie anrichten können.
Auf zur biobasierten Gesellschaft
Das Cynthetica-Verfahren wäre ein wahrer Segen in Hinsicht auf die Anstrengungen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bei der Herstellung von Werkstoffen und Arzneimitteln zu verringern. Darüber hinaus benötigen Cyanobakterien ungefähr 40-mal weniger Landoberfläche und 10 000-mal weniger Wasser als Pflanzen, um eine vergleichbare Menge an Produkten herzustellen. Und dabei wird fast kein Abfall erzeugt. Letztlich bedeutet das, dass industrielle Anlagen in Wüsten, Meeren oder auf Brachland angesiedelt werden könnten. „In der Zukunft könnten photosynthetische Organismen wie beispielsweise Cyanobakterien den Kohlenstoffkreislauf umkehren, indem sie atmosphärisches Kohlendioxid verbrauchen, das normalerweise als Problem angesehen wird!“, sagt Prof. Jensen. Während die Veröffentlichung der Ergebnisse noch aussteht, arbeitet das Team an der weiteren Feinabstimmung des Prozesses. Der wichtigste nächste Schritt wird die Anlagerung großer Mengen des Enzyms an das Proteingerüst sein. Zusätzlich muss das Verfahren für verschiedene Biosynthesewege funktionieren, von denen einige mehrere Schritte erfordern und daher auf mehrere verschiedene Enzyme angewiesen sind, die wie ein Förderband zusammenarbeiten müssen. Die Ergebnisse des Teams werden die Unternehmen bei der Einführung des Verfahrens im Umfeld der industriellen Produktion unterstützen.
Schlüsselbegriffe
Cynthetica, Biotechnologie, Cyanobakterien, Photosynthese, Kohlendioxid, Pharmazeutika, chemische Verbindungen, Proteine, Enzyme, Membranen, Biosynthese, genetische Veränderung
