Mikrobielle Bioproduktion unter Verwendung chemisch synthetisierter, nicht natürlicher Zucker als Substrat

Die Bioproduktion unter Verwendung von Biomassezuckern wie Mais aus der Landwirtschaft erregt als umweltfreundliche Technologie Aufmerksamkeit. Allerdings ist das Angebot an solchen konventionellen Biomassezuckern im Verhältnis zur enormen Nachfrage für die Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Produkten begrenzt, was zu Bedenken hinsichtlich der Konkurrenz zu Nahrungsmitteln aufgrund der Ausweitung der industriellen Nutzung führt.

Nun, in einem Studie kürzlich veröffentlicht in ChemBioChemUm dieses Problem zu lösen, entwickelten Forscher der Universität Osaka und Kooperationspartner eine innovative Bioproduktionstechnologie unter Verwendung chemisch synthetisierter, nicht natürlicher Zucker als Rohstoff (Abb. 1).

Mithilfe von Bakterien (Corynebacterium glutamicum) gelang ihnen die fermentative Produktion von Laktat unter Verwendung synthetisierter Zuckerlösungen als einzigem Substrat (Abb. 2). Dies ist weltweit der erste Fall, bei dem eine Bioproduktion unter Verwendung von synthetisiertem Zucker als Rohstoff durchgeführt wurde. Dieser Erfolg wird die Beschaffung von nachhaltigem Rohzucker ermöglichen, der nicht mit Nahrungsmitteln konkurriert, und soll die Bioproduktion weiter ausbauen.

Seit der Industriellen Revolution ist der durch den übermäßigen Einsatz fossiler Brennstoffe und die daraus resultierenden Treibhausgasemissionen (THG) verursachte Klimawandel eine globale Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Die Bioproduktion gilt als wirksames Mittel zur Lösung dieser Probleme und ihre Umsetzung wird aktiv gefördert. Die Produktion des Hauptrohstoffs (Biomasse der 1. Generation) in der aktuellen Bioproduktion basiert auf landwirtschaftlichen Prozessen wie dem Maisanbau.

Es besteht jedoch die Sorge, dass das Angebot an Biomasse der 1. Generation mit Nahrungsmitteln konkurrieren könnte, da diese den enormen Bedarf für die Produktion von Kraftstoffen und chemischen Produkten nicht decken können. Darüber hinaus hat die Produktion von Zucker durch großflächige Landwirtschaft negative Aspekte wie Landnutzung, massiven Verbrauch erschöpfbarer Ressourcen wie Süßwasser, Stickstoff und Phosphor, Wasserverschmutzung durch Eutrophierung und Verlust der Artenvielfalt.

Die Forschungsgruppe forscht an chemisch synthetisiertem Zucker, der nicht auf die Landwirtschaft angewiesen ist, und der Anwendung des gewonnenen Zuckers in Bioprozessen. Die chemische Zuckersynthese hat viele Vorteile, wie zum Beispiel (1) eine extrem hohe Syntheserate (mindestens mehrere Hundert Mal schneller als landwirtschaftliche Prozesse), (2) einen geringeren Wasserverbrauch (etwa 1/1300 der landwirtschaftlichen Prozesse), (3) weniger Landnutzung (etwa 1/600 der landwirtschaftlichen Prozesse) und (4) kein Bedarf an Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff.

Allerdings handelt es sich bei chemisch synthetisierten Zuckern um Gemische, die viele Verbindungen mit Strukturen enthalten, die in der Natur nicht vorkommen. Daher gab es bei der Verwendung synthetisierter, nicht natürlicher Zuckerlösungen für Bioprozesse Herausforderungen, beispielsweise das Vorhandensein von Faktoren, die das Wachstum von Bakterien hemmen.

In dieser Studie etablierte die Forschungsgruppe eine stabile Kultivierungsmethode mit chemisch synthetisiertem Zucker als Substrat und verwendete C. glutamicum als Modellbakterium. Sie identifizierten außerdem wachstumshemmende Faktoren in der synthetisierten Zuckerlösung und zeigten, dass diese durch sekundäre katalytische Behandlung entfernt werden können (Abb. 3a). Darüber hinaus gelang ihnen durch die Durchführung der Fermentation unter sauerstoffbeschränkten Bedingungen die fermentative Produktion von Laktat unter Verwendung einer synthetisierten Zuckerlösung als einzigem Substrat, obwohl diese in der Natur nicht vorhanden waren (Abb. 3b).

Dies ist weltweit der erste Fall, bei dem eine Bioproduktion unter Verwendung von landwirtschaftlich unabhängigem synthetisiertem Zucker als Substrat durchgeführt wurde. Laktat wird über Pyruvat produziert, das am Ende eines Stoffwechselwegs namens Glykolyse steht. Dies bedeutet, dass diese Methode umfassend und allgemein auf die Bioproduktion mittels Glykolyse angewendet werden kann.

Die Ergebnisse dieser Forschung haben gezeigt, dass chemisch synthetisierter Zucker als neuer Rohstoff für die Bioproduktion verwendet werden kann. Der Einsatz von chemisch synthetisiertem Zucker, der in hoher Geschwindigkeit und vor Ort hergestellt werden kann, soll die Probleme der Rohstoffversorgung in der Bioproduktion lösen, wie z. B. die Konkurrenz mit Nahrungsmitteln, regionale Abhängigkeit und die großflächige Nutzung erschöpfbarer Ressourcen. und es wird erwartet, dass es in diesem Bereich bahnbrechend sein wird.