Fit für die Biotechnologie: Neuer Organismus

Als wichtiger Aus­gangsstoff für Chemikalien in der Phar­mazie und Kos­metik dient die Bern­stein­säure , aber auch als Baustein für biol­o­gisch abbaubare Kun­st­stoffe ist sie nüt­zlich. Sie wird derzeit haupt­säch­lich aus petrobasierten Prozessen gewon­nen. Forschende am Cam­pus Straub­ing der Tech­nis­chen Uni­ver­sität München (TUM) ver­wen­den das Meeres­bak­teri­um Vib­rio natriegens als Biokatalysator. Damit kön­nte sich Bern­stein­säure in nach­halti­gen Pro­duk­tionsver­fahren aus nachwach­senden Rohstof­fen her­stellen lassen.

Das Meeres­bak­teri­um Vib­rio natriegens zeich­net sich durch ein extrem schnelles Wach­s­tum aus. Es ist der schnellst wach­sende, nicht krankheit­ser­re­gende Organ­is­mus, der bis­lang bekan­nt ist. Damit ein­her geht seine Fähigkeit, Sub­strate – die Aus­gangsstoffe der Katal­yse – sehr schnell aufzunehmen.

„Wir arbeit­en mit Hochdruck daran, Vib­rio natriegens in der Biotech­nolo­gie zu etablieren.“

-  Bas­t­ian Blom­bach, Pro­fes­sor für Mikro­bielle Biotech­nolo­gie

Das Team von Prof. Blom­bach am TUM Cam­pus Straub­ing für Biotech­nolo­gie und Nach­haltigkeit arbeit­et daran, mith­il­fe dieses Meeres­bak­teri­ums Pro­duk­tion­sprozesse zeit­ef­fizien­ter und somit Ressourcen-scho­nen­der gestal­ten zu kön­nen sowie die benötigte Größe von biotech­nol­o­gis­chen Anla­gen zu verringern.

Meeresbakterium hilft bei der Herstellung der Bernsteinsäure

Die Forscherin­nen und Forsch­er kon­nten nun am Beispiel der Bern­stein­säure das Poten­zial dieses Meeres­bak­teri­ums aufzeigen. Bern­stein­säure ist organ­isch und kommt in fos­silen Harzen wie Bern­stein oder auch in Braunkohle vor. In der Natur ist die Säure zum Beispiel in unreifen Wein­trauben, Rhabar­ber oder Tomat­en zu finden.

Im Stof­fwech­sel aller Organ­is­men kommt Suc­ci­nat, das Salz der Bern­stein­säure, beim Abbau von Glukose als Zwis­chen­stufe vor. Das natür­liche Vorkom­men der Bern­stein­säure im Stof­fwech­sel wird in der Biotech­nolo­gie nun genutzt, um sie gezielt durch Mikroor­gan­is­men wie dem von den Forschen­den einge­set­zten Meeres­bak­teri­um her­stellen zu lassen. Dazu ist ein Ver­ständ­nis der Stof­fwech­selleis­tung mikro­bieller Plat­tfor­men wie Vib­rio natriegens wesentlich.

Potenzial für die industrielle Biotechnologie

Das Team um Prof. Blom­bach nutzt Meth­o­d­en des Meta­bol­ic Engi­neer­ings, um solche neuar­ti­gen mikro­biellen Sys­teme für die indus­trielle Biotech­nolo­gie zu entwick­eln. Mit­tels mod­ern­er Meth­o­d­en des Genet­ic Engi­neer­ings kön­nen dann maßgeschnei­derte Zell­fab­riken entstehen.

„Wir haben Plas­tikröhrchen mit ein­er Sal­zlö­sung gefüllt, in der Vib­rio natriegens sich wohl fühlt, Glukose hinzugegeben und das Ganze luft­dicht ver­schlossen. In Abwe­sen­heit von Sauer­stoff haben die Bak­te­rien dann den Zuck­er und das im Medi­um gelöste CO2 zu Bern­stein­säure umge­set­zt. Dieser Vor­gang war nach etwa zwei bis drei Stun­den abgeschlossen.“

- Dr. Felix Thoma, Wis­senschaftler an der Pro­fes­sur für Mikro­bielle Biotech­nolo­gie

Im weit­eren Ver­lauf der Studie haben die Forschen­den die Exper­i­mente im Biore­ak­tor durchge­führt. Dort kon­nten sie zusät­zlich den pH-Wert kon­trol­lieren, denn durch die Bil­dung der Säure wird dieser son­st mit der Zeit unwirtlich. Außer­dem kon­nten sie genü­gend Sub­strate „nach­füt­tern“.

Ein Bakterium auf dem Weg zum wichtigen Prozesspartner

Bern­stein­säure zählt zu den zwölf zen­tralen Pro­duk­ten, die zukün­ftig biotech­nol­o­gisch hergestellt wer­den kön­nten, um ein­er petro­chemis­chen Darstel­lung Konkur­renz zu machen. „Nur zwei Jahre Entwick­lungsar­beit mit dem Meeres­bak­teri­um haben zu ver­gle­ich­baren Leis­tungsmerk­malen geführt, wie sie andere Sys­teme nach 15 bis 20 Jahren aufweisen. Damit ist das Meeres­bak­teri­um ein neuer poten­ter Akteur in der indus­triellen Biotech­nolo­gie“, sagt Thoma.

Durch gezielte genetis­che Mod­i­fika­tion ist es dem Forschung­steam gelun­gen, den Stof­fwech­sel dieses Bak­teri­ums so zu opti­mieren, dass Glukose effizient in Bern­stein­säure umge­set­zt wird — und das mit sehr hoher Pro­duk­tiv­ität. „Auf dem Weg zu einem indus­triell rel­e­van­ten Prozess muss hin­sichtlich der Prozess­führung noch einiges getan wer­den“, sagt Prof. Blom­bach. Jet­zt konzen­tri­ert sich das Forschung­steam auf die Prozessen­twick­lung mit Vib­rio natriegens und die Nutzbarkeit nachwach­sender Rohstoffe und Abfall­ströme, die nicht mit der Lebens­mit­telin­dus­trie konkurrieren.