Wir greifen oft auf die kleinsten Lebensformen zurück, um Hilfe bei der Lösung der größten Probleme zu erhalten: Mikroben helfen bei der Herstellung von Nahrungsmitteln und Getränken, bei der Heilung von Krankheiten, bei der Abfallbehandlung und sogar bei der Beseitigung von Umweltverschmutzung. Hefen und Bakterien können auch Pflanzenzucker in Biokraftstoffe und Chemikalien umwandeln, die traditionell aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden – ein wichtiger Bestandteil der meisten Pläne zur Verlangsamung des Klimawandels.
Jetzt haben Forscher der University of Wisconsin-Madison Bakterien entwickelt, die aus nicht ausreichend genutzten Pflanzenfasern zwei chemische Produkte gleichzeitig herstellen können. Und im Gegensatz zu Menschen können diese Multitasking-Mikroben beide Dinge gleichermaßen gut.
„Meines Wissens ist es eines der ersten Mal, dass man zwei wertvolle Produkte gleichzeitig in einer Mikrobe herstellen kann“, sagt Tim Donohue, UW-Madison-Professor für Bakteriologie und Direktor des Great Lakes Bioenergy Research Center.
Die Entdeckung, detailliert in einem Papier im Tagebuch Angewandte und Umweltmikrobiologiekönnte dazu beitragen, Biokraftstoffe nachhaltiger und kommerziell rentabler zu machen.
„Grundsätzlich senkt die Strategie die Netto-Treibhausgasemissionen und verbessert die Wirtschaftlichkeit“, sagt Donohue. „Die Menge an Energie und Treibhausgasen, die Sie benötigen, um zwei Produkte in einem Topf herzustellen, wird geringer sein, als wenn Sie zwei Töpfe betreiben, um in jedem Topf ein Produkt herzustellen.“
Jedes Molekül zählt
Das Bestreben, fossile Brennstoffe durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen, hängt von der größtmöglichen Wertschöpfung aus erneuerbarer Biomasse ab. Genau wie bei Petrochemikalien zählt jedes Molekül: Produkte mit geringem Volumen und hohem Wert tragen dazu bei, dass Kraftstoff erschwinglicher bleibt.
Eine der größten Barrieren ist ein Teil der pflanzlichen Zellwand namens Lignin. Lignin ist die weltweit am häufigsten vorkommende Quelle erneuerbarer aromatischer Kohlenstoffe, aber seine unregelmäßige Struktur macht es bekanntermaßen schwierig, es in nützliche Bestandteile zu zerlegen.
Aus diesem Grund haben Wissenschaftler des GLBRC ein Bakterium namens Novosphingobium aromaticivorans (manchmal auch einfach Novo genannt) untersucht, das viele Bestandteile von Lignin verdauen kann und sich relativ leicht genetisch verändern lässt.
Im Jahr 2019 entwickelten Forscher einen Novo-Stamm, der einen wichtigen Bestandteil von Kunststoffen wie Nylon und Polyurethan, bekannt als PDC, produzieren kann. Kürzlich entdeckte ein Team in Donohues Labor eine weitere Modifikation, die es Novo ermöglicht, einen anderen Kunststoffbestandteil namens ccMA herzustellen.
Aber sie hörten hier nicht auf.
„Wir werden unser Kohlenstoffemissionsproblem nicht lösen, indem wir nur zwei Produkte produzieren“, sagt Ben Hall, ein frischgebackener Doktorand, der an der Forschung mitgewirkt hat.
Donohues Team nutzte Genommodellierung, um eine Liste potenzieller Produkte zu erstellen, die aus Biomassearomen hergestellt werden könnten. Ganz oben auf der Liste stand Zeaxanthin, eines aus einer Gruppe organischer Pigmente, die als Carotinoide bekannt sind.
Carotinoide, die Karotten, Kürbissen, Lachs und sogar Flamingos ihre charakteristischen Farbtöne verleihen, werden als Nahrungsergänzungsmittel, Arzneimittel und Kosmetika verwendet und haben einen kumulierten Marktwert von mehreren zehn Milliarden Dollar pro Jahr.
Die Forscher wussten, dass Novo über die Gene verfügt, ein weiteres Carotinoid mit geringem Marktwert zu produzieren. Basierend auf der Genomsequenz der Bakterien vermuteten sie, dass Zeaxanthin ein Sprungbrett zu diesem weniger wertvollen Carotinoid in dem Prozess ist, den Zellen zur Herstellung komplexer Moleküle nutzen. Es ging lediglich darum, die richtigen Gene zu verändern, um das Verdauungsfließband bei dem wertvolleren Produkt zu stoppen.
Durch das Löschen oder Hinzufügen ausgewählter Gene entwickelten sie Stämme, die Zeaxanthin sowie andere wertvolle Carotinoide – Beta-Carotin, Lycopin und Astaxanthin – produzierten, wenn sie auf einer aromatischen Verbindung gezüchtet wurden, die häufig in Lignin vorkommt.
Als nächstes zeigte das Team, dass die manipulierten Bakterien dieselben Carotinoide aus einer Flüssigkeit aus gemahlenen und behandelten Sorghumstängeln produzieren können, einer Lösung, die eine Mischung von Aromastoffen enthält, die viele industrielle Bakterien nicht verdauen können.
Ein Topf, zwei Produkte
Hall fragte sich dann, was passieren würde, wenn er die genetischen Veränderungen, die zur Herstellung von PDC und einem Carotinoid erforderlich wären, in derselben Mikrobe kombinieren würde.
Die resultierenden Stämme produzierten sowohl PDC als auch das Zielcarotinoid – ohne erkennbare Verluste bei der Ausbeute. Noch besser: Die Bakterien sammelten Carotinoide in ihren Zellen an, die von der Lösung, die das von ihnen abgesonderte PDC enthält, getrennt werden müssen.
„Wir trennen bereits die Zellen von den Medien“, sagt Hall. „Jetzt hätten wir ein Produkt, das aus beidem entsteht.“
Zu den nächsten Schritten gehört die Prüfung, ob manipulierte Stämme gleichzeitig Carotinoide und ccMA produzieren können, wovon Donohue glaubt, dass dies der Fall sein wird, und die Entwicklung von Stämmen, um die Erträge unter industriellen Bedingungen zu verbessern.
Obwohl es für jedes dieser Produkte lukrative Märkte gibt, sagen Donohue und Hall, dass der wahre Wert der Entdeckung in der Möglichkeit liegt, dieser biologischen Plattform mehrere Funktionen hinzuzufügen.
„Für mich sind es sowohl die Strategie als auch die Produkte“, sagt Donohue. „Nachdem wir dies nun getan haben, öffnet sich meiner Meinung nach die Tür, um zu sehen, ob wir andere mikrobielle Chassis schaffen können, die zwei Produkte herstellen.“
Mehr Informationen:
Benjamin W. Hall et al., Produktion von Carotinoiden aus Aromaten und vorbehandelter Lignocellulose-Biomasse durch Novosphingobium aromaticivorans, Angewandte und Umweltmikrobiologie (2023). DOI: 10.1128/aem.01268-23