Bernsteinsäure ist ein wichtiges Vorprodukt für pharmazeutische und kosmetische Produkte und dient auch als Bestandteil von biologisch abbaubaren Kunststoffen. Es wird derzeit hauptsächlich aus erdölbasierten Prozessen gewonnen. Forscher am Campus Straubing der Technischen Universität München (TUM) nutzen das marine Bakterium Vibrio natriegens als Biokatalysator. Damit könnte Bernsteinsäure in nachhaltigen Prozessen aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden.
Das Meeresbakterium Vibrio natriegens zeichnet sich durch ein extrem schnelles Wachstum aus. Es ist der am schnellsten wachsende nicht-pathogene Organismus, der bisher entdeckt wurde. Dies wird mit ihrer extrem schnellen Aufnahme von Substraten kombiniert – den Reaktanten, die bei katalytischen Reaktionen verbraucht werden. „Wir drängen stark darauf, Vibrio natriegens in der Biotechnologie zu etablieren“, sagt Bastian Blombach, Professor für Mikrobielle Biotechnologie an der TUM.
Das Team von Prof. Blombach am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit untersucht Möglichkeiten, mit diesen Meeresbakterien Produktionsprozesse zeiteffizienter und damit ressourcenschonender zu gestalten und gleichzeitig die Größe biotechnologischer Anlagen zu verkleinern.
Meeresbakterien helfen bei der Produktion von Bernsteinsäure
Am Beispiel der Bernsteinsäure ist es den Forschern nun gelungen, das Potenzial des Meeresbakteriums aufzuzeigen. Bernsteinsäure ist eine organische Substanz, die in versteinerten Harzen wie Bernstein und Steinkohle vorkommt. In der Natur kommt es beispielsweise in unreifen Weintrauben, Rhabarber und Tomaten vor.
Succinat, das Salz der Bernsteinsäure, kommt im Stoffwechsel aller Organismen vor und wird dort als Zwischenstufe beim Glucoseabbau eingesetzt. Das natürliche Vorkommen von Bernsteinsäure in Stoffwechselprozessen wird nun biotechnologisch genutzt, um die Säure mit Mikroorganismen wie dem von den TUM-Forschern untersuchten Meeresbakterium herzustellen. Dies erfordert ein Verständnis der metabolischen Wirkung von mikrobiellen Plattformen wie Vibrio natriegens.
Potenzial für die industrielle Biotechnologie
Das Team von Prof. Blombach wendet Methoden des Metabolic Engineering an, um diese innovativen mikrobiellen Systeme für die industrielle Biotechnologie zu entwickeln. Mit fortschrittlichen gentechnischen Verfahren ist es dann möglich, maßgeschneiderte Zellfabriken zu schaffen.
Dr. Felix Thoma, Forscher am Microbial Biotechnology und Erstautor der Studie, erklärt, wie das Team Bernsteinsäure herstellte: „Wir haben Plastikröhrchen mit einer Kochsalzlösung gefüllt, in der Vibrio natriegens gedeiht, Glukose hinzugefügt und luftdicht verschlossen. Unter Sauerstoffausschluss wandelten die Bakterien den Zucker und das gelöste CO2 im Medium in Bernsteinsäure um, der Vorgang war nach etwa zwei bis drei Stunden abgeschlossen.“
In einem weiteren Schritt führten die Forscher die Experimente in einem Bioreaktor durch, wo sie den pH-Wert kontrollieren konnten, der sonst durch die Säurebildung allmählich unwirtlich wird. Dadurch konnten sie auch das Co-Substrat CO2 kontinuierlich zuführen.
Ein Bakterium, das bald ein wichtiger Prozesspartner sein wird
Bernsteinsäure gehört zu den 12 Schlüsselprodukten, bei denen die biotechnologische Produktion in Zukunft erfolgreich mit petrochemischen Verfahren konkurrieren könnte. „Unsere Ergebnisse nach nur zwei Jahren Entwicklungsarbeit mit Vibrio natriegens sind vergleichbar mit dem, was wir in anderen Systemen nach 15 oder 20 Jahren sehen. Das macht dieses marine Bakterium zu einem neuen und potenten Akteur in der industriellen Biotechnologie“, sagt Thoma.
Durch gezielte gentechnische Veränderungen ist es dem Forscherteam gelungen, den Stoffwechsel des Bakteriums so zu optimieren, dass es Glukose effizient in Bernsteinsäure umwandelt – bei hoher Produktivität. „Auf dem Weg zu einem industrietauglichen Prozess gibt es bei der Prozessgestaltung noch Nachholbedarf“, sagt Prof. Blombach. Das Team arbeitet nun daran, das Verfahren mit Vibrio natriegens und die Nutzbarkeit von nachwachsenden Rohstoffen und Abfallströmen zu entwickeln, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelindustrie stehen.
Felix Thoma et al, Metabolic engineering of Vibrio natriegens for anaerobic succinate production, Mikrobielle Biotechnologie (2021). DOI: 10.1111/1751-7915.13983
Diethard Mattanovich et al, Metabolic engineering of Vibrio natriegens, Essays in Biochemie (2021). DOI: 10.1042/EBC20200135
Eugenia Hoffart et al, Hohe Substrataufnahmeraten stärken Vibrio natriegens als Produktionswirt für die industrielle Biotechnologie, Angewandte und Umweltmikrobiologie (2017). DOI: 10.1128/AEM.01614-17