Lichtaktive Mikroalgen als Bio-Katalysatoren

Ein blaugrüner Algenteppich kann das sommerliche Badevergnügen am See wörtlich ​„trüben“: Ursache sind einige Stämme von photosynthetisch aktiven Mikroalgen, auch Cyanobakterien genannt. Andere Stämme von Cyanobakterien, welche für den Menschen harmlos sind, haben ein großes Potential für biotechnologische Anwendungen und sind deswegen heiß begehrt.

Im EU-Projekt PhotoBioCat nutzen internationale Doktorandinnen und Doktoranden unter Expertenanleitung den ​„Treibstoff“ Licht um enzymatische Reaktionen etwa mittels Cyanobakterien zu beschleunigen. Damit soll die biokatalytische Herstellung von Chemikalien erheblich nachhaltiger werden. Koordiniert wird das kürzlich gestartete Projekt von einem Team rund um Robert Kourist, Leiter des Instituts für Molekulare Biotechnologie der TU Graz, auch das Institut für Chemie der Karl-Franzens-Universität Graz ist mit an Bord. Das Projekt läuft damit im Rahmen des Verbunds NAWI Graz.

Enzyme mit Licht antreiben

Das Projekt PhotoBioCat hat zwei inhaltliche Schwerpunkte: Zum einen wird die Nutzung von Cyanobakterien als Biokatalysatoren für lichtgetriebene biotechnologische Anwendungen in einer Reihe industriell relevanter Modellreaktionen untersucht und erprobt. Chemikalien für Polymere, Kosmetika und Medikamente werden zunehmend biotechnologisch mit der beschleunigenden Hilfe von Enzymen hergestellt. Die Enzyme müssen allerdings bislang mit Reduktionsäquivalenten angetrieben werden, sehr komplexe Moleküle, die sich nur teuer synthetisieren lassen. Cyanobakterien betreiben Photosynthese, wandeln also rein mit der Hilfe von Licht, Wasser und CO2 energiearme in energiereiche Stoffe um. Werden Enzyme genetisch in die Cyanobakterien eingeschleust, treiben sie dank ihrer katalytischen Funktion die chemische Reaktion an, das teure Reduktionsäquivalent wird damit überflüssig.

Projektleiter Robert Kourist erklärt: ​„Sind die Enzyme an die Photosynthese der Cyanobakterien gekoppelt, fallen teure Abfall- und Nebenprodukte weg und die biotechnologische Herstellung von Chemikalien wird leichter, schneller und kostengünstiger.“ Man spart sich etwa den Einsatz von großen Mengen an NADPH (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat), das mit über 1.000 Euro pro Gramm ein teurer Reaktionspartner ist. Bis es soweit ist, ist allerdings noch einiges zu tun. ​„Wir wissen zwar, dass das im Labor funktioniert. Die große Herausforderung ist jetzt, den Prozess auf einen industriellen Maßstab umzulegen“, sagt Kourist. Die Kopplung an die Photosynthese soll zudem mit mehreren Enzymen durchprobiert und die Palette der künftig herstellbaren Chemikalien erweitert werden. Der zweite Fokus des Projekts liegt auf der Erhöhung der Effizienz, mit der Lichtenergie geerntet und an enzymatische Reaktionen weitergegeben werden kann (in vitro, also ohne lebende Trägerorganismen wie Cyanobakterien).

Ein Algenlabor an der TU Graz

An der TU Graz wachsen und gedeihen Mikroalgen seit wenigen Wochen kontrolliert in gläsernen Röhren und Kolben, und das freilich nicht ohne Grund: ​„Ein Teilbereich, den wir uns im Rahmen von PhotoBioCat genau anschauen, ist die Algenaufzucht für die biotechnologische Nutzung im großindustriellen Maßstab. Man kann Cyanobakterien in speziellen Algenlabors züchten und mit Licht bestrahlen. Ab einem gewissen Wachstumsgrad beschatten sich die Zellen aber gegenseitig. Das Licht hat geringere Wirkung, die Algen können nicht ihr volles Photosynthese-Potential ausschöpfen und damit geht wertvolle Reaktionstätigkeit verloren.“, erklärt Projektleiter Robert Kourist.

PhotoBioCat als DoktorandInnen-Netzwerk

Das Projekt PhotoBioCat ist zugleich ein europäisches Netzwerk von Doktorandinnen und Doktoranden, die von 2018 bis 2021 mit führenden Expertinnen und Experten an der lichtgetriebenen Reaktion für biotechnologische Anwendungen arbeiten werden. Die 12 Nachwuchsforscherinnen und ‑forscher kommen aus Österreich, Deutschland, Frankreich, Portugal, Dänemark und den Niederlanden. Am Institut für Molekulare Biotechnologie der TU Graz werden ebenso wie bei Wolfgang Kroutil vom Institut für Chemie der Uni Graz zwei Doktorand/​innen an dem Projekt arbeiten. Ausbildungsinhalte des PhotoBioCat-Netzwerkes reichen von der Veränderung des Energiestoffwechsels von Mikroalgen mittels moderner Werkzeuge der synthetischen Biologie über den Antrieb biotechnologischer Reaktionen durch Photosynthese, die Entwicklung neuartiger Licht-getriebener enzymatischer Verfahren bis zur Entwicklung von Photobioreaktoren.

Das Projekt PhotoBioCat. Light-driven sustainable biocatalysis training network wird im Rahmen des EU-Programmes Horizon2020 Marie Sklodowksa-Curie Actions – European Joint Doctorates mit rund 3 Millionen Euro gefördert.

Akademische Kooperationspartner:
TU Graz (Lead, für den Verbund NAWI Graz), Karl-Franzens Universität Graz, TU Hamburg-Harburg, Universität Aix-Marseille, Universität Wageningen, Ruhr-Universität Bochum, Universität Porto, TU Delft, TU Dänemark

Industriepartner:
GlaxoSmithKline, Chiracon, CyanoBiotech, Sandoz, Subitec, Arkema, Innophore, Entrechem

Dieses Projekt ist an der TU Graz im Field of Expertise ​„Human and Biotechnology“ verankert, eines von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. An der Universität Graz ist es Teil der Forschungsschwerpunkte ​„Molekulare Enzymologie und Physiologie“ und ​„Umwelt und Globaler Wandel“. Quelle: www​.tugraz​.at