14 Februar 2011

Turbospaltung von Zellulose durch Kuhmagen-Mikroben möglich?

Forschungsprojekt isoliert Bakteriengene aus dem lebenden Organ

Ein aufwändiges Forschungsprojekt hat 28.000 Gene aus Bakterien isoliert, die in Rindermägen Zellulose aufspalten helfen. Sie sollen zu neuen Enzymen führen, die Pflanzenreste hocheffizient in Biosprit verwandeln.

Der letzte Schrei in der Herstellung von Biosprit sind gentechnisch veränderte Mikroben. Statt wertvolle Nahrungspflanzen zu verschwenden, sollen sie Kraftstoffe aus Pflanzenabfällen produzieren und damit deren bislang dürftige Ökobilanz verbessern. Was in Laborfermentern bereits gelingt, ist aber von einer industriellen Anwendung noch weit entfernt. US-Forscher hoffen nun, im Verdauungstrakt von Kühen den Schlüssel zum Durchbruch gefunden zu haben.

Ein Problem für die Biospritproduktion aus Pflanzenresten sind die langkettigen Moleküle Zellulose und Lignin, die bis zu 80 Prozent der Pflanzenmasse ausmachen und vor allem in den Stängeln enthalten sind. Um sie in jene Zuckermoleküle aufzuspalten, aus denen Mikroben etwa Bioethanol machen können, ist man derzeit auf synthetische Enzyme angewiesen.

Die aber sind viel zu teuer. Soll Zellulose-Biosprit wirtschaftlich werden, müsse man die Enzymkosten mindestens halbieren, besser noch auf ein Fünftel reduzieren, sagt Frances Arnold, Biochemikerin am California Institute of Technology.

“Das wird aber nur mit neuen Enzymen gelingen, die leistungsfähiger sind”, sagt Eddy Rubin, Direktor des Joint Genome Institute des US-Energieministeriums. Deshalb suchen er und viele andere Forscher nach Bakterien, die noch unbekannte Turboenzyme enthalten.

Zwar mangelt es auf der Erde nicht an Einzellern mit bemerkenswerten chemischen Werkzeugen, mit denen sie diverse Aufgaben meistern. Doch dummerweise lassen sich 99,9 Prozent aller bekannten Bakterien nicht im Labor kultivieren, so dass die Forschung lange Zeit nur auf einen begrenzten Pool an Genen zurückgreifen konnte.

Mit Hilfe der Gentechnik können Wissenschaftler zumindest dieses Problem umgehen: Sie sequenzieren die Gene, ohne die Einzeller in Petrischalen züchten zu müssen. In dem Datenmaterial suchen sie dann nach Genen, die eine interessante Stoffwechselfunktion kodieren. Allerdings muss man immer noch geeignete Bakterien isolieren.

Rubins Gruppe wandte sich deshalb 2007 zunächst Termiten zu. In deren Mägen befinden sich Zellulasen – Enzyme, die Zellulose aufbrechen –, die mühelos Holzreste in Zucker zerlegen. Weil Termiten aber winzige Verdauungstrakte haben, sei es schwierig gewesen, genug Bakterien und damit genug Genmaterial zu isolieren, sagt Rubin.

Kühe sind da deutlich ergiebiger: Ihr Pansen fasst 150 Liter Pflanzennahrung. Eine neue, von Agrarwissenschaftlern entwickelte Technologie ermöglichte schließlich die Genjagd im Rind: Den Tieren wird eine Art Bullauge in die Flanke eingesetzt, durch das die Forscher direkt in den Pansen hineinschauen und auch Proben entnehmen können.

Mit dieser künstlichen Fistel zwischen Pansen und Haut wird der Magen einer lebenden Kuh zum Labor. Gemeinsam mit Forschern der University of Illinois deponierten Rubin und seine Kollegen Grasbüschel im Pansen und nahmen die Reste nach 48 Stunden wieder heraus. Auf den verbliebenen Halmen fanden sich zahlreiche Bakterien, die bei der Verdauung des Grases helfen.

Anschließend sequenzierten die Biochemiker die Gene der so gefundenen Bakterien. Dank der großen Menge an Mikroben erhielten sie reichlich Genmaterial: insgesamt 250 Milliarden Basenpaare – zehnmal mehr als im menschlichen Genom enthalten sind.

Am Lawrence Berkeley National Lab wurden die Daten mit Hilfe von Hochleistungsrechnern mit den Gensequenzen von Enzymen verglichen, die nachweislich Kohlenwasserstoffe zerlegen können. Ergebnis war eine Liste von 28.000 Genen. 90 Prozent von diesen bauten die Forscher nun in Laborbakterien ein, die daraufhin die entsprechenden Eiweiße bildeten. Die Hälfte der Proteine entpuppte sich als Enzyme, die Zellulose aufspalten können.

Wie die neue Datenbank praktisch genutzt wird, ist noch nicht klar. “Das ist die reinste Enzyklopädie, mit der man nun arbeiten muss”, sagt Rubin.

Bislang hat man effizientere Enzyme auf zwei Arten zu gewinnen versucht. Eine Möglichkeit ist, die Aktivität der Enzyme chemisch zu steigern. Bei der anderen sucht man nach Enzymen, die auch unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder hohen Salzkonzentrationen in Wasser funktionieren – Bedingungen, die die Aufspaltung von Zellulose erleichtern könnten, aber die üblicherweise verwendeten Enzyme angreifen.

David Weiner, Forschungsleister beim Enzymhersteller Verenium, hält das Ergebnis der Studie für vielversprechend. Nachdem er bereits an Rubins Termiten-Studie beteiligt war, plant er nun, auch einen Blick in andere Wiederkäuer wie Zebras zu werfen.

Source: heise.de, 2011-02-14.

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