Die wachsende Weltbevölkerung bedeutet eine enorme Belastung für die Umwelt. Die Landwirtschaft beansprucht große Landflächen und gibt Nährstoffe an die umgebende Umwelt ab. Gleichzeitig entsteht durch alle Formen der industriellen Produktion ein enormer Druck auf die aquatische Umwelt, da Restprodukte wie Abwasser freigesetzt werden. Unabhängig davon, ob es sich um landwirtschaftliche Betriebe oder Industrie handelt, ist dies heute mit einem enormen Energieverbrauch und den daraus resultierenden Auswirkungen auf das Klima verbunden.
Mit einem neuen Forschungsdurchbruch ist es Forschern der DTU gelungen, all diese Probleme auf der Suche nach den Nahrungsmitteln der Zukunft anzugehen. Mithilfe der Hefezelle Debaryomyces hansenii (D. hansenii) haben die Forscher gezeigt, dass es möglich ist, einige der problematischen Abfallströme der Industrie zu nutzen, um Proteine zu sehr geringen Kosten und mit sehr geringem Energieverbrauch herzustellen. Dadurch könnte die Nahrungsmittelproduktion von den Feldern in Stahltanks verlagert werden, die Umwelt wird vom Abwasser verschont und das Klima wird weitaus weniger durch CO2 belastet.
Salztolerante Hefe
Außerordentlicher Professor José Martinez von der DTU Bioengineering erforscht seit vielen Jahren Hefezellen, die in der Natur an extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen, niedrigen Nährstoffgehalt oder hohen Salzgehalt angepasst sind. D. hansenii ist an aquatische Umgebungen mit hohem Salzgehalt angepasst und gedeiht in Wasser, das bis zu sechsmal so salzhaltig ist wie normales Meerwasser. Das brachte den außerordentlichen Professor auf eine Idee.
„Es gibt Unternehmen, deren Abfallströme reich an Nährstoffen sind, aber auch einen sehr hohen Salzgehalt aufweisen, was oft ein Problem darstellt. Der Salzgehalt verhindert die Nutzung der Nährstoffe und hindert Unternehmen daran, ihre Abfallströme als normales Abwasser einzuleiten, was bedeutet, dass sie eine spezielle Behandlung benötigen, und das ist kostspielig. Warum versuchen wir nicht, diese Art von Hefe in diesen salzigen Abfallströmen zu züchten?“, fragte er sich.
Zucker und Stickstoff
José und sein Forschungsteam nahmen daher Kontakt zu Arla Foods auf und vereinbarten, D. hansenii in einem sehr salzigen Rückstand aus der Käseproduktion zu testen – einem Rückstand, der zudem reich an dem Zucker Laktose war. Das Experiment übertraf alle Erwartungen. Die Hefezellen verstoffwechselten den Zucker aus diesem Abfallstrom problemlos, und je höher der Salzgehalt, desto effizienter das Wachstum. Das Hefewachstum war jedoch nicht ganz so effizient, wie es sein könnte. Es war einfach zu wenig Stickstoff vorhanden.
Manuel Quirós arbeitet als Spezialist bei Novo Nordisk und hat wie Martinez die Hefeart D. hansenii erforscht. Bei einem Kaffeegespräch diskutierten die beiden Biologen die Grenzen der Ergebnisse des DTU-Forschers mit dem laktosereichen Abfallstrom. Quirós sagte, dass Novo Nordisk bei der Herstellung von Hämophiliemitteln einen salzigen Rückstand mit hohem Stickstoffgehalt erhalte und dachte, dass dieser nützlich sein könnte. Und so entwickelte sich schnell aus einem Kaffeegespräch ein Versuchsaufbau.
„Wir haben einfach die beiden salzhaltigen Abfallströme gemischt – den mit hohem Laktosegehalt und den mit hohem Stickstoffgehalt. Wir haben sie so verwendet, wie sie waren. Wir mussten weder Frischwasser hinzufügen, noch mussten wir den Fermentationstank sterilisieren, da das Salz das Wachstum anderer Mikroorganismen verhinderte. Es war Plug-and-Play“, so der außerordentliche Professor.
D. hansenii gedieh in dieser salzigen Mischung. Doch um mehr als nur wissenschaftliches Interesse zu wecken, musste die Hefe auch ein kommerziell interessantes Produkt hervorbringen. Mit Hilfe der Gentechnologie CRISPR veränderte Martinez‘ Forschungsteam D. hansenii so, dass sie während des Wachstums ein Protein bildete.
Neue Denkweise
Mithilfe der CRISPR-Technologie können Forscher Hefezellen so verändern, dass sie viele verschiedene Proteine und andere Substanzen produzieren können. Zunächst entschieden sie sich für ein fluoreszierendes Protein, das als Modellsubstanz dienen sollte. Auf diese Weise konnten sie leicht ein Produktionsziel erreichen, indem sie maßen, wie stark die Flüssigkeit fluoreszierte, während die Hefezellen arbeiteten.
Die Forscher testeten mehrere Mischungen der Abfallströme von Arla Foods und Novo Nordisk. Die optimale Mischung hatte einen Salzgehalt von etwa dem doppelten von Meerwasser und einen Zuckergehalt von etwa 12 Gramm pro Liter.
Die Verwendung der Hefeart D. hansenii ist nichts Neues. Sie ist seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung. Bisher konzentrierte sich die Forschung jedoch darauf, das Gen in den Hefezellen zu finden, das sie salztolerant macht, und dann zu versuchen, dieses Gen auf Pflanzen zu übertragen, damit sie hohen Salzgehalt besser vertragen. Dies erwies sich jedoch als äußerst komplex, da die Salztoleranz mit mehreren Genen verknüpft zu sein scheint, die zusammenarbeiten.
Was Martinez und seine Forschungskollegen gemacht haben, ist, die Hefezellen selbst und ihre salztoleranten Eigenschaften zu nutzen und sie dann so zu modifizieren, dass sie selbst etwas produzieren, das wir dann nutzen können. Obwohl es einfach klingt, dauerte es zwei Jahre intensiver Forschung, bis Martinez und seine Forschungskollegen einen Durchbruch erzielten.
Kommerzielle Produkte
Mit der CRISPR-Technologie wurde die Tür für eine breite Palette von Produkten auf der Basis von D. hansenii und den Abfallprodukten der Industrie geöffnet. Martinez sieht große Chancen beispielsweise in Milchersatzprodukten, künstlichem Fleisch, verschiedenen proteinbasierten Pigmenten und Enzymen. Man kann aber auch die Hefezellen selbst verwenden, ohne dass sie Proteine oder Enzyme produzieren. Die Hefebiomasse selbst kann als Futter für Kälber und andere Tierhaltungsprodukte verwendet werden, und dann kann die Hefe zur Fleischverarbeitung verwendet werden, sodass eine viel effizientere Reifung erreicht wird.
Doch nicht nur im Nahrungsmittelbereich sieht Martinez große Chancen. José ist derzeit an einer Forschungspartnerschaft zur Entwicklung nachhaltiger Kraftstoffe beteiligt. Dabei planen Martinez und sein Forschungsteam, D. hansenii so zu modifizieren, dass es Lipide – Fette – produziert, die sich leicht in einen grünen Kraftstoff umwandeln lassen.
Der nachhaltige Aspekt der Forschung ist wichtig für das Engagement von Novo Nordisk in dem Projekt.
„Novo Nordisk möchte die volle Verantwortung für unsere gesamte Wertschöpfungskette übernehmen. Unsere Strategie heißt Circular for Zero. Dabei haben wir drei Schwerpunkte: die Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, die Verringerung der CO2-Emissionen und die Minimierung der Abfallströme“, erklärt Quirós.
Hochskalierung
Auch wenn die Forschungsergebnisse mit der Hefezelle D. hansenii sehr vielversprechend sind, ist es bis zur kommerziellen Nutzung noch ein weiter Weg. Bislang haben die DTU-Forscher nur im Labormaßstab gearbeitet, wo ein bis fünf Liter Abfallströme mit zugesetzten Hefezellen getestet wurden.
Der nächste Schritt bei der Skalierung ist 10–30 Liter, und schon hier prognostiziert Martinez, dass es Herausforderungen hinsichtlich einer effizienten Sauerstoffversorgung des gesamten Flüssigkeitsvolumens geben wird. Der Schritt auf mehrere Tausend Liter, die bei einer kommerziellen Produktion erforderlich sind, wird andere unbekannte Herausforderungen mit sich bringen, sodass es wahrscheinlich mindestens 10 Jahre dauern wird, bis wir Hefetanks in voller Größe mit D. hansenii sehen.
Doch der DTU-Forscher ist absolut sicher, dass dieser Forschungsdurchbruch ein wichtiger Schritt in der grünen Wende ist.