Wissenschaftler züchten Bakterien, um zwei wertvolle Produkte aus Pflanzenfasern herzustellen.

20. Dezember 2023

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von Chris Hubbuch, University of Wisconsin-Madison

Wir suchen oft bei den kleinsten Lebewesen nach Hilfe bei der Lösung der größten Probleme: Mikroben helfen bei der Herstellung von Lebensmitteln und Getränken, heilen Krankheiten, behandeln Abfälle und können sogar zur Reinigung von Umweltverschmutzung beitragen. Hefe und Bakterien können auch Pflanzenzucker in Biokraftstoffe und Chemikalien umwandeln, die traditionell aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden - ein wesentlicher Bestandteil der meisten Pläne zur Verlangsamung des Klimawandels.

Jetzt haben Forscher der University of Wisconsin-Madison Bakterien gezüchtet, die aus ungenutzten Pflanzenfasern gleichzeitig zwei chemische Produkte herstellen können. Und im Gegensatz zu Menschen können diese multitaskingfähigen Mikroben beides gleich gut.

'Soweit ich weiß, ist es das erste Mal, dass man zwei wertvolle Produkte gleichzeitig in einem Mikroben herstellen kann', sagt Tim Donohue, Professor für Bakteriologie an der UW-Madison und Direktor des Great Lakes Bioenergy Research Center.

Die Entdeckung, die in einem Artikel in der Zeitschrift Applied and Environmental Microbiology ausführlich beschrieben wird, könnte dazu beitragen, Biokraftstoffe nachhaltiger und wirtschaftlich rentabler zu machen.

'Im Prinzip verringert die Strategie die Netto-Greenhouse-Gas-Emissionen und verbessert die Wirtschaftlichkeit', sagt Donohue. 'Die Menge an Energie und Treibhausgas, die benötigt wird, um zwei Produkte in einem Topf herzustellen, ist geringer als die Energie und das Treibhausgas, das benötigt wird, um zwei Töpfe zu betreiben, um ein Produkt in jedem Topf herzustellen.'

Der Ersatz fossiler Brennstoffe durch nachhaltige Alternativen hängt davon ab, den größtmöglichen Nutzen aus erneuerbarer Biomasse zu ziehen. Genauso wie bei Petrochemikalien zählt jedes Molekül: Niedrigvolumige, hochwertige Produkte helfen dabei, Kraftstoff erschwinglich zu halten.

Eines der größten Hindernisse ist ein Teil der pflanzlichen Zellwand namens Lignin. Lignin ist die weltweit häufigste Quelle erneuerbarer aromatischer Kohlenstoffe, aber seine unregelmäßige Struktur macht es berüchtigt schwer, es in nützliche Komponenten zu zerlegen.

Deshalb haben Wissenschaftler des GLBRC ein Bakterium namens Novosphingobium aromaticivorans (manchmal auch einfach Novo genannt) untersucht, das viele Bestandteile von Lignin verdauen kann und relativ leicht genetisch veränderbar ist.

Im Jahr 2019 haben Forscher einen Stamm von Novo entwickelt, der eine Schlüsselkomponente von Kunststoffen wie Nylon und Polyurethan namens PDC produzieren kann. Vor kurzem entdeckte ein Team in Donohues Labor eine weitere Modifikation, die es Novo ermöglicht, eine andere Kunststoffkomponente namens ccMA herzustellen.

Aber sie hörten nicht dort auf.

'Wir werden unser Kohlenstoffemissionsproblem nicht lösen, indem wir nur zwei Produkte herstellen', sagt Ben Hall, ein kürzlich promovierter Absolvent, der zur Forschung beigetragen hat.

Donohues Team verwendete genomisches Modellieren, um eine Liste potenzieller Produkte zu erstellen, die aus aromatischen Biomassen hergestellt werden könnten. Ganz oben auf der Liste stand Zeaxanthin, eines der organischen Pigmente, die als Carotinoide bekannt sind.

Carotinoide, die Karotten, Kürbisse, Lachs und sogar Flamingos ihre charakteristischen Farben verleihen, werden als Nahrungsergänzungsmittel, Arzneimittel und Kosmetika verwendet und haben einen kumulativen Marktwert von mehreren Milliarden Dollar pro Jahr.

Die Forscher wussten, dass Novo die Gene zur Produktion eines weiteren Carotenoids mit wenig Marktwert hat. Basierend auf der Genomsequenz des Bakteriums vermuteten sie, dass Zeaxanthin ein Zwischenschritt zu diesem weniger wertvollen Carotenoid im Prozess ist, den Zellen zur Herstellung komplexer Moleküle verwenden. Es war nur eine Frage der Veränderung der richtigen Gene, um die Verdauungs-Assembly-Line beim wertvolleren Produkt zu stoppen.

Indem sie ausgewählte Gene entfernten oder hinzufügten, entwickelten sie Stämme, die sowohl Zeaxanthin als auch andere wertvolle Carotinoide - Beta-Carotin, Lycopin und Astaxanthin - produzierten, wenn sie auf eine aromatische Verbindung angebaut wurden, die in Lignin häufig vorkommt.

Anschließend zeigte das Team, dass die gentechnisch veränderten Bakterien die gleichen Carotinoide aus einer Flüssigkeit produzieren konnten, die aus gemahlenen und behandelten Sorghum-Stängeln hergestellt wird, einer Lösung, die eine Mischung aus Aromaten enthält, die viele industrielle Bakterien nicht verdauen können.

Hall fragte sich dann, was passieren würde, wenn er die genetischen Veränderungen kombinieren würde, die erforderlich sind, um sowohl PDC als auch ein Carotenoid im selben Mikrob zu produzieren.

Die resultierenden Stämme produzierten sowohl PDC als auch das Zielcarotenoid - ohne erkennbaren Verlust in der Ausbeute. Noch besser war, dass die Bakterien Carotinoide in ihren Zellen ansammelten, die von der Lösung getrennt werden müssen, die das PDC enthält, das sie absondern.

'Wir trennen bereits die Zellen von den Medien', sagt Hall. 'Jetzt hätten wir ein Produkt sowohl von innen als auch von außen.'

The next steps include testing whether engineered strains can simultaneously produce carotenoids and ccMA, which Donohue thinks they will, and to engineer strains to improve yields in industrial conditions.

While there are lucrative markets for each of these products, Donohue and Hall say the real value of the discovery is the ability to add multiple functions to this biological platform.

'To me, it's both the strategy and the products,' Donohue says. 'Now that we've done this, I think it opens the door to see if we can create other microbial chassis that make two products.'

Journal information: Applied and Environmental Microbiology

Provided by University of Wisconsin-Madison