Darmkeim als Treibstoff-Produzent

Forscher haben einen weiteren Weg gefunden, um Mikroben als Helfer für die Produktion nachhaltigerer Treibstoffe einzuspannen. Dafür rüsteten sie Bakterien der Art Escherichia coli mit den Genen für vier zusätzliche Enzyme aus. Dies befähigte die Mikroben dazu, aus Zucker große Mengen sogenannter Hydroxy-Fettsäuren zu produzieren. Diese wiederum lassen sich durch chemische Katalyse in Olefine umwanden – Kohlenwasserstoffketten, wie sie unter anderem in Plastik und Kraftstoffen vorkommen.

In einer in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlichten Studie berichten Forscher, dass sie die Wunder der Biologie und der Chemie genutzt haben, um Glukose (eine Zuckerart) in Olefine (eine Kohlenwasserstoffart und eine von mehreren Arten von Molekülen, aus denen Benzin besteht) zu verwandeln. Das Projekt wurde von den Biochemikern Zhen Q. Wang an der University of Buffalo und Michelle C. Y. Chang an der University of California, Berkeley, geleitet. Die Arbeit stellt einen Fortschritt bei den Bemühungen um die Entwicklung nachhaltiger Biokraftstoffe dar.

Wenn es darum geht, möglichst nachhaltige und klimafreundliche Kraftstoffe aus Biomasse herzustellen, stehen mikrobielle Helfer hoch im Kurs. Denn Bakterien können das Pflanzenmaterial mithilfe von Enzymen zersetzen und so im Idealfall Kohlenwasserstoffe produzieren, ohne dass dafür viel Energie nötig ist. Beispiele dafür sind Darmkeime von Ziegen, erdölproduzierende Algen und ein Team aus Pilz und Bakterium, das Pflanzenfasern in den Treibstoff Isobutanol umwandeln kann.

„Doch vielen synthetische Verbindungen, darunter vor allem unsubstituierte Kohlenwasserstoffe, sind noch immer schwer allein mithilfe von Zellen herzustellen“, erklären Zhen Wang von der University of California in Berkeley und ihre Kollegen.

Alken-Produzenten gesucht

Das Forschungsteam hat daher nach einem Weg gesucht, um den leicht kultivierbaren Darmkeim Escherichia coli zur Synthese von Molekülen zu bringen, die dann leicht in Olefine umgewandelt werden können. Unter dem Begriff Olefine werden Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung zusammengefasst. Solche Alkene oder Cycloalkene sind wichtige Grundstoffe für die Plastikherstellung und andere chemische Prozesse, sind aber auch in Kraftstoffen wie Benzin enthalten.

Ausgangspunkt der Studie waren normale Escherichia-coli-Kulturen. ​„Diese Mikroben sind echte Zucker-Junkies“, sagt Wang. Aus dem Zucker sollten die Bakterien nun möglichst effizient und unabhängig von ihrem Zellwachstum Hydroxy-Fettsäuren produzieren. Dabei handelt es sich um mittellange Kohlenwasserstoffketten mit speziellen funktionellen Gruppen, die sich leicht katalytisch in Olefine umwandeln lassen. Dafür schleusten die Forscher den Mikroben die Gene für vier zusätzliche Bakterien-Enzyme ein.

Vom Zucker zum Olefin

Das Ergebnis ist ein Mikroben-Stamm, der aus Zucker in einem vierschrittigen Prozess relativ effizient Hydroxyfettsäuren herstellen kann. Je nach Variante lag die Ausbeute bei 780 bis 1.600 Milligramm pro Liter Mikrobenlösung – das entspricht einer Effizienz von rund 86 Prozent, wie Wang und ihr Team berichten. Mithilfe chemischer Katalysatoren erfolgte dann die Umwandlung in Alkene von sechs bis neun Kohlenstoffatomen Länge.

Olefine machen nur einen geringen Prozentsatz der Moleküle in dem derzeit hergestellten Benzin aus, aber das von dem Team entwickelte Verfahren könnte in Zukunft wahrscheinlich so angepasst werden, dass auch andere Arten von Kohlenwasserstoffen erzeugt werden können, einschließlich einiger der anderen Bestandteile des Benzins, so Wang. Sie weist auch darauf hin, dass Olefine nicht nur für Kraftstoffe, sondern auch für industrielle Schmiermittel und als Vorprodukte für die Herstellung von Kunststoffen verwendet werden.

„Wir haben das, was die Biologie am besten kann, mit dem chemisch gut Machbaren kombiniert und so diesen zweischrittigen Prozess entwickelt“, sagt Wang. ​„Im Prinzip können wir damit Olefine direkt aus Glucose herstellen.“ Weil pflanzliche Zucker durch die Photosynthese entstehen und damit unter Aufnahme von CO2 aus der Luft, gelten Kraftstoffe aus Biomasse als relativ klimafreundlich – sofern für ihre Produktion nicht zu viel Energie nötig ist.

Ausbeute noch deutlich optimierbar

„Biokraftstoffe aus erneuerbaren Rohstoffen wie pflanzlichen Zuckern herzustellen, hat daher das Potenzial, grüne Technologien voranzubringen“, betont Wang. Das gilt vor allem dann, wenn Pflanzenabfälle dafür verwendet werden. Bisher allerdings steht die mikrobielle Olefin-Synthese von Wang und ihren Kollegen noch ganz am Anfang. So ist die Alken-Ausbeute mit gut acht Prozent noch sehr gering. Auch ob und wie das Verfahren auf industrielle Maßstäbe skaliert werden kann, ist noch ungeklärt.