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StartseiteForschung aktuellBakterium nutzt CO2 aus der Luft29.11.2019

LabortestBakterium nutzt CO2 aus der Luft

Das Darmbakterium Escherichia coli ist das Arbeitstier der Molekularbiologie. Es kann so programmiert werden, dass es Biomoleküle wie zum Beispiel Insulin oder andere Hormone herstellt. Bislang muss dabei Zucker zugefüttert werden - aber das Bakterium könnte den Kohlenstoff auch aus der Luft aufnehmen.

von Magdalena Schmude

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Darmbakterien Escherichia coli unter dem Elektronenmikroskop, grün eingefärbte Aufnahme (Imago / Dennis Kunkel)
Um Biomoleküle zu produzieren, braucht das Darmbakterium Escherichia coli den entsprechenden Bauplan - und Kohlenstoff als Nahrung (Imago / Dennis Kunkel)
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Als ein Doktorand im Labor von Ron Milo vor rund zehn Jahren vorschlug, das Darmbakterium E. coli so umzuprogrammieren, dass es sich von CO2 ernährt, glaubte der Biologe zunächst selbst nicht, dass so ein Projekt jemals erfolgreich sein würde.

"Es war ein ziemlicher Distanzschuss, so eine große Veränderung im Labor durchzuführen und es war klar, dass das irgendwas zwischen ein paar Jahren und für immer dauern würde."

Ernährungsumstellung nach dem Vorbild der Pflanzen

Ron Milo und seine Arbeitsgruppe erforschen am Weizman Institute of Science die verschiedenen Wege, auf denen Organismen Kohlenstoff für ihren Stoffwechsel nutzen. Bakterien ernähren sich zum Beispiel von dem Kohlenstoff, der in Zucker enthalten ist. Pflanzen können dagegen den Kohlenstoff aus dem CO2 in der Luft verwenden. Um ihn aufzunehmen, koppeln sie je ein CO2-Molekül mit Hilfe von Enzymen an ein bereits vorhandenes Hilfsmolekül in ihren Zellen. Dieser Prozess wird auch Kohlenstofffixierung genannt.

"Die Kohlenstofffixierung ist eine der größten technischen Herausforderungen unserer Zeit. Und je besser wir sie verstehen, desto eher können wir entsprechende Methoden entwickeln, um sie nachzuahmen. Deshalb wollten wir versuchen, die Ernährung von E. coli so zu verändern, dass es das CO2 aus der Luft als Kohlenstoffquelle nutzt. Dazu haben wir zuerst überlegt, welche Veränderungen im Stoffwechsel von E. coli nötig sind - also welche Gene wir ausschalten und welche neu einbringen müssen."

Bakterien bekommen neue Fähigkeiten

Die Forschenden brachten also mittels Gentechnik die Bauanleitungen für alles in die E. coli ein, was diese für die Kohlenstofffixierung brauchen. Dadurch bekamen die Bakterien neue Fähigkeiten. Zum einen konnten sie jetzt die Enzyme herstellen, die auch in Pflanzen dafür zuständig sind, Kohlendioxid zu binden. Außerdem wurde der Stoffwechsel von E. coli so verändert, dass die Bakterien den aufgenommenen Kohlenstoff auch weiterverarbeiten können. Doch das reichte noch nicht, damit sie ihre gewohnte Ernährungsweise aufgaben:

"Also haben wir Evolution im Labormaßstab betrieben. Dazu haben wir die Bakterien unter Bedingungen wachsen lassen, bei denen es von Vorteil ist, sich von Kohlendioxid zu ernähren. Und nach einem Jahr hatten sich die Bakterien dann entsprechend angepasst. Anschließend waren noch ein paar weitere kleine Veränderungen nötig, bis sie schließlich ausschließlich CO2 als Kohlenstoffquelle nutzen konnten."

Was genau ist im Erbgut der Bakterien passiert?

Die Bakterien nehmen jetzt Kohlenstoff ausschließlich über das CO2 aus der Luft auf und bauen es, genau wie Pflanzen, in ihren Stoffwechsel ein. Dieser Kohlenstoff dient dann als Material für alles, was die Bakterien herstellen; egal ob ihre eigenen Proteine - oder Moleküle, für die sie per Gentechnik als Bioreaktoren eingesetzt werden.

Ron Milo und sein Team wollen als nächstes untersuchen, was genau während der Evolution im Labor Erbgut der Bakterien passiert ist. Dann könnten sie diese Veränderungen in Zukunft auch gezielt und damit schneller vornehmen.

Biomolekül-Produktion könnte nachhaltiger werden

"Und als Zweites wollen wir sehen, ob wir das Bakterium dazu kriegen, bei normalen atmosphärischen Bedingungen zu wachsen. Also mit soviel CO2, wie in der Luft ist, und nicht so, wie es zur Zeit im Labor wächst, mit besonders viel CO2."

Bisher ist die Arbeit von Ron Milo und seinem Team nur der Beweis, dass ihre Idee tatsächlich umsetzbar ist. Doch wenn es gelingt, die Bakterien dauerhaft von CO2 in der Luft zu ernähren, könnte so in Zukunft alles, was E. coli herstellen kann, deutlich nachhaltiger erzeugt werden.

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