Durchbruch in der Biotechnologie begünstigt Herstellung nachhaltiger Biokraftstoffe aus modifizierten Bakterien
Erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie können dazu beitragen, den CO2-Ausstoß in die Atmosphäre zu verringern. Manchmal erzeugen diese Quellen große Mengen an Strom, aber nicht unbedingt dann, wenn der Verbrauch hoch ist. Herkömmliche Kraftwerke können noch nicht vollständig verdrängt werden, da es keine praktikablen Lösungen für die Speicherung des überschüssigen Stroms gibt. Außerdem werden große Mengen an CO2, die von der Industrie, beispielsweise bei der Stahlerzeugung, verursacht werden, nicht recycelt. Das EU-finanzierte Projekt eForFuel, das Forschende und Unternehmen aus ganz Europa zusammenbrachte, befasste sich mit all diesen Fragen gleichzeitig.
Winzige Mikroorganismen als Retter in der Not
Das bahnbrechende Konzept des Projekts eForFuel basierte auf der Nutzung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Quellen, Schadstoffemissionen der Industrie und im Labor gezüchteten Bakterien zur Herstellung wertvoller, gebrauchsfertiger Biokraftstoffe. „Unsere nachhaltige Produktionskette wandelt CO2-Emissionen und Strom aus erneuerbaren Energien in leicht zu handhabende Ameisensäure um, die dann an hochentwickelte Mikroben zur Herstellung von erneuerbaren Kohlenwasserstoffkraftstoffen und anderen Biomaterialien weitergeleitet wird“, erklärt Laura Martinelli, Geschäftsführerin und Gründerin von IN SRL Impresa Sociale, die zudem als Projektkoordinatorin fungiert. Der erste Schritt bestand in der Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien, um CO2 direkt zu einem flüssigen Produkt zu reduzieren. CO2 und Wasser wurden in einen Elektrolyseur geleitet, wobei eine Säure entstand, die vor allem in Ameisen vorkommt, die sogenannte Ameisensäure. Letztere wurde dann in einen Fermenter, ein Gefäß, in dem Bakterien gezüchtet werden können, überführt. Hier wurde ein spezieller Stamm von gentechnisch veränderten Escherichia coli (E. coli) eingesetzt, der in der Lage ist, die Ameisensäure zu verdauen und Kohlenwasserstoffgase zu generieren, die in Kraftstoffe für den Verkehr umgewandelt werden können.
Neuer Weg zur Nutzung von CO2 für fortgeschrittene Biokraftstoffe
„CO2 ist unbegrenzt vorhanden, kann aus der Luft oder aus Punktquellen abgeschieden werden und lässt sich in eine Vielzahl von Produkten umwandeln, einschließlich moderner Biokraftstoffe. Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und birgt einige Herausforderungen, wie z. B. die kosteneffiziente Reduktion von CO2 in einen brauchbaren Träger und dessen sukzessive Umwandlung in fortgeschrittene Kraftstoffe durch einen gentechnisch veränderten Mikroorganismus“, bemerkt Martinelli. Der Stoffwechselweg, der CO2 und Ameisensäure effizient in Kraftstoff umwandelte, wurde mithilfe der umgekehrten Glycinspaltungsreaktion begangen. Glycin und Serin, universelle Vorläufer von Ein-Kohlenstoff-Verbindungen, wurden aus Formiat und CO2 über einen reduktiven Weg hergestellt. „Wir waren die ersten, die den vollständig synthetischen reduktiven Glycinweg entwickelt haben, der es E. coli ermöglicht, mit Ameisensäure und CO2 als einzigen Kohlenstoffquellen zu wachsen. Es stellte sich heraus, dass dies der energieeffizienteste aerobe Formiatassimilationsweg ist, der sich für den industriellen Maßstab eignet“, unterstreicht Martinelli. Durch adaptive Laborevolution wurde der Stamm weiter für schnelles Wachstum und höhere Biomasseerträge optimiert. Darüber hinaus wurde der Stamm in adaptiven Laborevolutionsexperimenten an das Wachstum bei niedrigeren CO2-Konzentrationen angepasst, wie sie in industriellen Abgasen vorkommen. „Die Entwicklung effizienter technologischer Lösungen wie mikrobieller Stämme, die unter Verwendung von Ein-Kohlenstoff-Quellen wachsen und hervorbringen können, ist entscheidend für die Schaffung einer nachhaltigen und skalierbaren Bioökonomie. Mehrere Forschungsgruppen haben den reduktiven Glycinweg bereits in anderen Organismen nachgebaut, und es laufen mehrere Projekte, die auf der von eForFuel initiierten Arbeit aufbauen“, bemerkt Martinelli. „In Studien zum Konzeptnachweis wurde der veränderte E. coli-Stamm so weiterentwickelt, dass er auf Methanol, einer weiteren reduzierten Ein-Kohlenstoff-Verbindung, wächst, was zu einem kleineren CO2-Fußabdruck führt. Dadurch könnte es sich besser als Kohlenstoffquelle für die Bioökonomie eignen“, schließt Martinelli. In Erinnerung an den zu früh verstorbenen Arren Bar Even, den Erfinder der innovativen eForFuel-Technologie. Ein besonderer Dank geht an Steffen Lindner von der Charité – Universitätsmedizin Berlin, der seine Pionierarbeit ebenfalls fortsetzt.
Schlüsselbegriffe
eForFuel, CO2, Ameisensäure, E. coli, Biokraftstoff, erneuerbarer Strom, reduktiver Glycinweg, Ein-Kohlenstoff-Quelle
