Hefepilze mögen Zucker – aber nur wenn er leicht verdaulich ist. Den Einfachzucker Glucose zum Beispiel können sie leicht zu Alkohol vergären. Die langen Zuckerketten, aus denen der Ballaststoff Cellulose besteht, können sie nicht verwerten. Um also ganze Pflanzen an die Hefepilze verfüttern zu können, müssen die Cellulosemoleküle auf chemischem Wege in mundgerechte Happen zerteilt werden. Das Problem ist, dass bei dieser Umwandlung von Pflanzenfasern zu Zuckerwasser auch giftige Stoffe entstehen, zum Beispiel stickstoffhaltige Aldehydverbindungen. Sie müssen entfernt werden, da sie sonst die Hefepilze schädigen würden. Der Biomediziner Frank Koopman von der Technischen Universität Delft hat ein Bodenbakterium gefunden, das für ihn diese "schmutzige Arbeit" erledigt. Denn Cupriavidus basiliensis hat die giftigen Stoffe zum Fressen gern.
"Dieses Bakterium kann die giftigen Aldehyde abbauen. Aber darüber hinaus haben wir entdeckt, dass es auch nahezu alle anderen toxischen Substanzen im Zuckerwasser zerlegt. Aber den Zucker selbst rührt das Bakterium nicht an. Wir können mit diesem Einzeller also unsere Zuckerlösung entgiften, so dass andere Organismen daraus zum Beispiel Ethanol herstellen können."
Dabei hätte es der niederländische Wissenschaftler eigentlich bewenden lassen können. Aber er und seine Kollegen wollten auch ganz genau wissen, wie das Bodenbakterium die giftigen Substanzen abbaut. Deshalb haben sie sein Erbgut nach den Genen durchforstet, die dafür verantwortlich sind. So konnten sie dann sozusagen einen Blick unter die Motorhaube des Bakteriums werfen und verstehen, wie sein Stoffwechselmotor funktioniert, über welche Zwischenstufen die Aldehyde abgebaut werden. Dabei machten sie einen erstaunlichen Zufallsfund: Aus den giftigen Stoffen entsteht kurzzeitig die chemische Substanz FDCA.
"Das hat augenblicklich unser Interesse geweckt. Denn diese Substanz steht ganz oben auf einer Liste des amerikanischen Energieministeriums für besonders begehrte, umweltfreundliche Chemikalien. Die Experten dort haben jene Substanzen identifiziert, die aus Biomasse hergestellt werden können und ein großes Potential als Rohstoff für die Industrie bieten. Da ist FDCA vorne mit dabei. Diese Substanz könnte zum Beispiel für die Herstellung des Kunststoffes PET verwendet werden."
PET ist das Material, aus dem üblicherweise Getränkeflaschen bestehen. Zwei Zutaten braucht man, um es herzustellen: Glycol und Terephtalsäure. FDCA könnte die zweite Komponente ersetzten und die Synthese damit etwas umweltschonender gestalten. Für Frank Koopman stellte sich nun die Frage, wie er an die Verbindung heran kommen sollte, zu der seine Bakterien die giftigen Aldehyde umbauen. Denn Cupriavidus basiliensis wandelt FDCA sofort weiter um, so dass die Substanz nicht isoliert werden kann. Daher überführten die Biotechnologen aus Delft die Erbanlagen des Bodenorganismus in einen robusten Bakterienstamm. Sie entschieden sich für das bewährte Arbeitstier Pseudomonas putida.
"Das ist ein Bakterienstamm, der den meisten Lösungsmitteln gegenüber unempfindlich ist. Wir benutzen ihn in unserem Labor sehr oft als eine Art Wirt, mit dem wir auf biologischem Wege chemische Verbindungen erzeugen können. Dafür ist der Stamm ideal, denn er verträgt auch höhere Konzentrationen von giftigen Stoffen. Das ist natürlich nützlich, wenn man solche Zielsubstanzen herstellen möchte."
Mit diesem gentechnisch veränderten Organismus schlagen die Forscher aus Delft gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Sie können die Route zum Bio-Ethanol aus Cellulose vereinfachen, indem sie die Nährstofflösung der Hefepilze entgiften. Und gleichzeitig sind die Bakterien dazu in der Lage, diese toxischen Verbindungen zu dem vielversprechenden Rohstoff FDCA umzuwandeln. Kein Wunder also, dass die Details des Verfahrens gerade patentiert werden.
"Dieses Bakterium kann die giftigen Aldehyde abbauen. Aber darüber hinaus haben wir entdeckt, dass es auch nahezu alle anderen toxischen Substanzen im Zuckerwasser zerlegt. Aber den Zucker selbst rührt das Bakterium nicht an. Wir können mit diesem Einzeller also unsere Zuckerlösung entgiften, so dass andere Organismen daraus zum Beispiel Ethanol herstellen können."
Dabei hätte es der niederländische Wissenschaftler eigentlich bewenden lassen können. Aber er und seine Kollegen wollten auch ganz genau wissen, wie das Bodenbakterium die giftigen Substanzen abbaut. Deshalb haben sie sein Erbgut nach den Genen durchforstet, die dafür verantwortlich sind. So konnten sie dann sozusagen einen Blick unter die Motorhaube des Bakteriums werfen und verstehen, wie sein Stoffwechselmotor funktioniert, über welche Zwischenstufen die Aldehyde abgebaut werden. Dabei machten sie einen erstaunlichen Zufallsfund: Aus den giftigen Stoffen entsteht kurzzeitig die chemische Substanz FDCA.
"Das hat augenblicklich unser Interesse geweckt. Denn diese Substanz steht ganz oben auf einer Liste des amerikanischen Energieministeriums für besonders begehrte, umweltfreundliche Chemikalien. Die Experten dort haben jene Substanzen identifiziert, die aus Biomasse hergestellt werden können und ein großes Potential als Rohstoff für die Industrie bieten. Da ist FDCA vorne mit dabei. Diese Substanz könnte zum Beispiel für die Herstellung des Kunststoffes PET verwendet werden."
PET ist das Material, aus dem üblicherweise Getränkeflaschen bestehen. Zwei Zutaten braucht man, um es herzustellen: Glycol und Terephtalsäure. FDCA könnte die zweite Komponente ersetzten und die Synthese damit etwas umweltschonender gestalten. Für Frank Koopman stellte sich nun die Frage, wie er an die Verbindung heran kommen sollte, zu der seine Bakterien die giftigen Aldehyde umbauen. Denn Cupriavidus basiliensis wandelt FDCA sofort weiter um, so dass die Substanz nicht isoliert werden kann. Daher überführten die Biotechnologen aus Delft die Erbanlagen des Bodenorganismus in einen robusten Bakterienstamm. Sie entschieden sich für das bewährte Arbeitstier Pseudomonas putida.
"Das ist ein Bakterienstamm, der den meisten Lösungsmitteln gegenüber unempfindlich ist. Wir benutzen ihn in unserem Labor sehr oft als eine Art Wirt, mit dem wir auf biologischem Wege chemische Verbindungen erzeugen können. Dafür ist der Stamm ideal, denn er verträgt auch höhere Konzentrationen von giftigen Stoffen. Das ist natürlich nützlich, wenn man solche Zielsubstanzen herstellen möchte."
Mit diesem gentechnisch veränderten Organismus schlagen die Forscher aus Delft gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Sie können die Route zum Bio-Ethanol aus Cellulose vereinfachen, indem sie die Nährstofflösung der Hefepilze entgiften. Und gleichzeitig sind die Bakterien dazu in der Lage, diese toxischen Verbindungen zu dem vielversprechenden Rohstoff FDCA umzuwandeln. Kein Wunder also, dass die Details des Verfahrens gerade patentiert werden.