Wissenschaftler des Agricultural Research Service (ARS) sind ständig auf der Suche nach neuen Methoden, um die Fermentation von Maiszucker zu Ethanolkraftstoff zu verbessern. Jetzt haben sie ein Verfahren entwickelt, bei dem gentechnisch veränderte Backhefe zum Einsatz kommt, um einer der Hauptursachen für teure Stillstände von Ethanolanlagen vorzubeugen: der Kontamination durch unerwünschte Bakterien.
Ein Artikel, der diesen Fortschritt detailliert beschreibt, wurde veröffentlicht in Grenzen der Biotechnik und Biotechnologie.
Die Wissenschaftler haben die genetische Ausstattung der Hefe durch „Codierung“ verändert, um auf ihrer äußeren Oberfläche ein Enzym zu erzeugen, das die Bakterien abtötet oder ihr Wachstum hemmt. Dabei handelt es sich um mikrobielle Rivalen, deren Ausschüttung von Essig- und Milchsäure dazu führen kann, dass der Fermentationsprozess seine maximale Ethanol-Produktionskapazität nicht erreicht.
„Diese Bakterien kommen überall in der Umwelt vor, insbesondere auf Pflanzenmaterial. Sie sind tatsächlich für die Fermentierung von Gemüse verantwortlich, aus dem Produkte wie Sauerkraut und eingelegtes Gemüse hergestellt werden“, erklärte Shao-Yeh Lu, ein Forschungsmikrobiologe am National Center for Agricultural Utilization Research der ARS in Peoria, Illinois.
„Leider verursachen die von eben diesen Bakterien in einer Bioethanol-Fermentationsanlage produzierte Essigsäure und Milchsäure Stress und hemmen das Wachstum der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), die für die Ethanolproduktion verantwortlich ist.“
Ethanol gilt als sauberer verbrennende Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Benzin, da seine Treibhausgasemissionen einigen Schätzungen zufolge um 40 % niedriger sind. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen kann Ethanol aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden, nämlich aus pflanzlichen Zuckerquellen (z. B. Mais) und Zellulosefasern (z. B. Chinaschilf).
Schätzungen schwanken, aber es gibt landesweit zwischen 187 und 198 Ethanol-Bioraffinerien mit einer Gesamtproduktionskapazität von mehr als 17 Milliarden Gallonen pro Jahr. Um die Nachfrage nach erneuerbaren Kraftstoffen wie Ethanol zu decken, müssen die Systeme zu ihrer Herstellung jedoch so effizient wie möglich sein.
Bakterien, die in diese Fermentationssysteme eindringen, ernähren sich hauptsächlich von Glukose im Maisbrei – also von denselben Zuckern, die die Hefe in Ethanol umwandelt. Dieses bakterielle „Mobbing“ kann jedoch die Umwandlung von Glukose in Ethanol durch die Hefe um schätzungsweise 16 bis 42 % verringern.
Dies kann in Bioraffinerien eine Betriebsunterbrechung zu Reinigungszwecken und den Einsatz von Antibiotika zur Abtötung der Bakterien erforderlich machen, was bei einer Anlage mit einer Kapazität von 100 Millionen Gallonen pro Jahr zu Einnahmeverlusten von ungefähr 4,5 Millionen US-Dollar pro Jahr führt.
„Aktuelle Methoden zur Beseitigung bakterieller Verunreinigungen bei der Bioethanolproduktion basieren in hohem Maße auf dem prophylaktischen Einsatz von Antibiotika“, sagte Lu. „Dieser Ansatz ist jedoch auf lange Sicht nicht tragfähig, da ein längerer Einsatz von Antibiotika zur Entwicklung antibiotikaresistenter Bakterien führen kann.“
Daher beschlossen Lu und seine Kollegen, das mikrobielle Spielfeld auszugleichen.
Dies gelang ihnen, indem sie einen Stamm von Bäckerhefe mit einem von ihnen entdeckten Gen für die Produktion von Endolysin modifizierten, einem speziellen Enzym, das die Bakterien bei Kontakt abtötet.
In Laborversuchen reduzierte der Einsatz der Endolysin-produzierenden Hefen die Bakterienpräsenz um 85 % im Vergleich zu einer Kontrollgruppe der Hefen, die nicht gentechnisch verändert worden waren. Im Durchschnitt reduzierte dies den Essigsäure- und Milchsäuregehalt in der Maische um bis zu 40 % bzw. 71 %. Die Ethanolproduktion stieg um bis zu 40 %.
Laut Lu ist es wahrscheinlich kostengünstiger, Hefe so zu modifizieren, dass sie Endolysin produziert – entweder auf ihrer Oberfläche oder abgesondert – als große Mengen des Enzyms zu kontaminiertem Maisbrei hinzuzufügen. Um die potenzielle kommerzielle Nutzung vollständig zu ermitteln, sind weitere Untersuchungen erforderlich, aber wenn sie durch groß angelegte Versuche bestätigt werden, könnten die Endolysin-haltigen Hefen eine Alternative zu Antibiotika oder anderen teuren chemischen Reinigungsmitteln darstellen.
Weitere Informationen:
Shao-Yeh Lu et al., Oberflächendarstellung von Endolysin LysKB317 durch Saccharomyces cerevisiae zur Kontrolle bakterieller Kontamination bei Maisethanolfermentationen, Grenzen der Biotechnik und Biotechnologie (2023). DOI: 10.3389/fbioe.2023.1162720