Powered by

Forschung in Biberach - Leuchtet die Zukunft der Bioökonomie purpurn?

Wohin mit dem Kohlendioxid? Nach Versuchen seiner Endlagerung erfährt das Treibhausgas eine Neubewertung vom „Klimakiller“ zum Rohstoff, aus dem sich Werthaltiges herstellen lässt. Chemische Verfahren brauchen dazu viel Energie, um aus dem trägen Gas Sprit, Zement oder Kunststoffe herzustellen. Energieversorger erproben auch biotechnische Verfahren, bei denen Algen mit Rauchgasen gefüttert werden. Einen neuen Weg der CO2-Verwertung beschreitet der Mikrobiologe Hartmut Grammel von der Hochschule Biberach mit Kollegen vom Magdeburger Max-Planck-Institut (MPI) für Dynamik komplexer technischer Systeme. Das Fernziel: die zellfreie und energiearme Produktion organischer Wertstoffe mit Hilfe bakterieller, CO2-verbrauchender Enzyme.

Eine tragende Rolle in dem vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Projekt „Analyse und Design bakterieller Enzymkaskaden zur stofflichen Verwertung von CO2“ spielt ein Verwandlungskünstler namens „Rhodospirillum rubrum“. In dieses Bakterium setzt Hartmut Grammel, seit Kurzem Professor für Industrielle Mikrobiologe an der Hochschule Biberach, große Hoffnungen.

Einzelliger Verwandlungskünstler

Hartmut Grammel, seit 2012 Professor für industrielle Mikrobiologe in Biberach. © HS Biberach

Den Namen tragen diese Nichtschwefel-Purpurbakterien wegen ihrer ausgeprägten purpurnen Färbung, die ihnen ihre für die Photosynthese benötigten Pigmente (Carotinoide) verleihen. Ähnlich wie Pflanzen oder Algen sind diese Süßwasserbakterien in der Lage, mit Hilfe von Licht photosynthetisch zu wachsen. Als Elektronendonor verwendet Rhodospirillum rubrum allerdings kein Wasser, so dass bei der Photosynthese auch kein Sauerstoff entsteht (anoxygene Photosynthese).
Bei Licht und in Abwesenheit von Sauerstoff bildet die Bakterienmembran intrazelluläre Ausstülpungen (intrazytoplasmatische Membranen, IZM), die beinahe vollständig das Zellvolumen ausfüllen. In den IZM sitzt der Photosyntheseapparat. Fällt auf diesen Licht, gewinnt er über die dort eingelagerten Proteinpigmentkomplexe Energie, die er in Form von ATP speichert.

Ohne Licht ist Rhodospirillum rubrum ebenfalls in der Lage zu wachsen. Das Bakterium stellt dann seinen gesamten Stoffwechsel auf Zellatmung um. Dieses Umschalten zwischen pflanzlichem und tierischem Stoffwechsel fasziniert den Mikrobiologen Grammel.

Schon länger im Fokus der Biotechnologen

Stoffwechsel und Phänotyp von Rhodospirillum rubrum werden durch Sauerstoff, Licht und Substrat beeinflusst. Die untere Bildhälfte zeigt die Verfärbung des Einzellers in verschiedenen Kulturen, im Dunkeln gewachsen auf Fructose (F), Succinat (S) und auf einem Succinat-Fructose-Gemisch (S/F). © Hartmut Grammel

Rhodospirillum rubrum zieht schon seit Langem das Interesse von Biotechnologen auf sich. Denn es eignet sich zur Herstellung großer Mengen von Farbstoffen (Carotinoiden oder Chlorophyll). Grammel und Kollegen haben einige weitere Anwendungsmöglichkeiten wie die Produktion von Vitaminen, Membranproteinen, Impfstoffen oder Biowasserstoff bereits untersucht; sie sind allesamt zugänglich über den photosynthetischen Zelltyp. Der aerobe Zelltyp, ohne IZM, ist für technische Zwecke nach Grammels Worten relativ uninteressant.

Ausgangspunkt für das jüngst vom Bundesforschungsministerium für fünf Jahre (maximale Förderdauer: acht Jahre) geförderte Vorhaben im Rahmen der Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+" waren zahlreiche Vorarbeiten, die Hartmut Grammel am Magdeburger MPI durchgeführt hat.

Dort hatte der Mikrobiologe von Anfang an die stark systembiologisch ausgerichtete  Forschung vorangetrieben. Über eine Kooperation mit Prof. Robin Ghosh von der Abteilung Bioenergetik an der Uni Stuttgart hatte er sich mit „Rhodospirillum rubrum" zu beschäftigen begonnen. Seit 2007 untersucht er dessen ungewöhnliche Stoffwechseleigenschaften und Phänomene. So machte Grammels Kooperationspartner Ghosh folgende Beobachtung: Vermehrt man diese Einzeller im Dunkeln und ‚füttert‘ sie mit organischer Säure (Succinat, bekannt auch als Bernsteinsäure), wachsen sie rasch in einem kleinen Schüttelkolben. Haben sie irgendwann den Sauerstoff verbraucht, erhalten sie eine rosafarbene Tönung. Sauerstoff unterbindet folglich die Bildung der Carotinoide im lichtabsorbierenden Photokomplex. Fällt die Sauerstoffhemmung weg, wird der Photokomplex in geringerem Umfang auch in Abwesenheit von Licht ausgebildet.

Eine Nährstoffkombination sorgt für Verblüffung

Was der Stuttgarter Kollege eher zufällig entdeckte, als er den Zucker Fructose zum Nährmedium gab, verblüffte diesen wie Grammel gleichermaßen: Die Zellen waren randvoll mit photosynthetischer Membran bepackt und zeigten eine Purpur-Färbung wie sonst nur bei Licht. Das Faszinosum: Die Bakterien bildeten ein Maximum an lichtabsorbierenden Membrankomplexen, ohne dass Licht vorhanden war, scheinbar ohne jeden biologischen Sinn. Ghosh fand heraus, dass dieses Phänomen nicht von der Fructose, sondern von dem Succinat-Fructose-Gemisch ausgelöst wurde. Das Rätsel ist noch nicht gelöst, aber Grammel weiß, dass sich mit diesem Kultivierungsverfahren photosynthetische Gene maximal anschalten lassen – was bislang nur mit Licht möglich war.

Dieses Stoffwechselphänomen von Rhodospirillum rubrum birgt ein beträchtliches Anwendungspotenzial. Denn mit der Ausbildung photosynthetischer Komplexe im Dunkeln verfügen diese Einzeller über eine Fähigkeit, die Algen nicht besitzen. Algen können nicht in riesigen Fermentern kultiviert werden, wie sonst in der industriellen Biotechnologie üblich, sondern benötigen komplizierte flache Platten- oder Röhrenkultivierungssysteme, weil sie auf die Energiequelle Licht angewiesen sind. Dies erschwert die biotechnologische Algen-Produktion erheblich.

Bioprozess kommt ohne Licht aus

Am Magdeburger MPI hat Grammel ein Verfahren entwickelt, das auf Licht verzichten kann. In 10-Liter-Edelstahlfermentern gelang es ihm,
Rhodospirillum rubrum in völliger Dunkelheit mit maximalen Mengen photosynthetischer Membranen zu züchten. Gestützt auf ein Computermodell hat Grammel bereits die Biomasse-Ausbeute dieser Bakterien im Laborfermenter auf ca. 60 g/l gesteigert, was die Ausbeuten von photosynthetisch mit Licht gezüchteten Mikroalgen deutlich übertrifft.
Offenkundige Vorteile bietet Rhodospirillum rubrum nach Grammels Ansicht auch für die industrielle Carotin-Produktion, die bislang in Algen oder in gentechnisch veränderten Hefen oder E.-coli-Bakterien geschieht. Carotine sind fettlöslich und bilden sich normalerweise nur in den Membranen, die bei diesen Mikroben eher spärlich sind, ganz anders als die damit randvoll bepackten Purpurbakterien.

Bislang hat der Biberacher Professor für industrielle Mikrobiologie das Verfahren noch nicht über 100 Liter hinaus hochskaliert. Im Grundsatz spreche das Verfahren aber nicht gegen eine Erhöhung des Kulturvolumens, ist er sich sicher. Eine erste industrielle Anwendung hat er gemeinsam mit Partnern bereits erfolgreich durchgeführt: Bakterienchlorophyllfarbstoffe wurden als Wirkstoffe im Rahmen einer photodynamischen Tumortherapie in der klinischen Phase I auf ihre Unbedenklichkeit überprüft.

Biochemisches Mimikry

Inzwischen weiß Grammel, dass „es zelluläre Signale gibt, die diese Photosynthese-Gene und damit diese Membranbildung anschalten, und wir mit unseren Kultivierungsbedingungen diese Lichtregulation im Prinzip biochemisch nachahmen“. Dieses Phänomen haben Grammel auf experimentellem Weg und sein Kollege Steffen Klamt vom MPI in Magdeburg auf theoretischem Weg untersucht. Mit dem von Klamt entwickelten Stoffwechselnetzwerk-Modell namens CellNetAnalyzer lassen sich alle enzymatischen Stoffwechselreaktionen je nach Zugabe der Nährstoffe simulieren und die Reaktion der Signale in diesen Zellen (Genexpression) verfolgen. Am Beispiel der Biowasserstoffproduktion haben Klamt und Grammel den systembiologischen Ansatz bereits durchgespielt und damit den Bioprozess optimiert.

Rhodospirillum wächst nicht ohne Kohlendioxid

Noch in seiner Magdeburger Zeit ließ Grammel den Zentralstoffwechsel des Purpurbakteriums ausloten. Er stieß erneut auf ein Phänomen, das sich einer raschen Erklärung verschloss: Rhodospirillum-rubrum-Kulturen wachsen ohne Kohlendstoffdioxid nicht, auch wenn Fructose als Nährstoff vorliegt. Steigt der CO2-Gehalt, nimmt auch das Bakterienwachstum proportional zu. Außerdem ist Rhodospirillum rubrum im Gegensatz zu verwandten Nichtschwefel-Purpurbakterien auch dann unter bestimmten Bedingungen in der Lage zu wachsen, wenn das Schlüsselenzym des Calvin-Zyklus, RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase), das bei Bakterien und Pflanzen für die CO2-Fixierung verantwortlich ist, ausgeschaltet ist.

Diese Frage führte Grammel direkt zum CO2-Stoffwechsel des Bakteriums. Auf der Suche nach alternativen CO2-fixierenden Reaktionen - mittlerweile sind in Bakterien insgesamt sechs verschiedene Stoffwechselwege bekannt, die ausschließlich über CO2 Zellwachstum ermöglichen - markierten Grammel und Mitarbeiter alle theoretisch möglichen Reaktionen. Sie stellten aber fest, dass diese zum Teil nur schlecht charakterisiert sind, was ihre Eigenschaften, Kapazitäten, ihre Eignung auf technische Anwendung betrifft. Diese Charakterisierung markiert gewissermaßen den ersten Schritt des BMBF-Projekts.

Welche Enzyme verbrauchen am meisten CO2?

Grammel wird zunächst ungewöhnliche Kohlendioxid-fixierende Enzyme aus Bakterien untersuchen und isolieren, ehe sie zellfrei in einem elektrochemischen System zur Produktion organischer Wertstoffe verwendet werden sollen. So lautet das ambitionierte, im Grunde hochriskante, aber eben auch hochattraktive Ziel des Projektes, das zusammen mit dem Magdeburger MPI durchgeführt wird. Den dortigen Ingenieuren, die reichlich elektrochemische Expertise mitbringen, gelang es bereits, andere Enzyme an eine Elektrode zu koppeln, sie zellfrei zu betreiben.

Die ungewöhnlich lange Laufzeit des Fördervorhabens signalisiert, dass in Biberach und Magdeburg ungewöhnlich dicke Forschungsbretter gebohrt werden. Bei aller Zuversicht wissen das auch die Wissenschaftler. In den Biberacher Laboren werden zunächst alle CO2-abhängigen Stoffwechselreaktionen in Bakterienzellen und Zellextrakten untersucht. Die Metaboliten werden mit (stabilen) 13C-Isotopen markiert. Via Massenspektrometrie sollen die Reaktionsmechanismen aufgeklärt werden, um schließlich die Stoffwechselwege mit dem größten CO2-Verbrauch zu identifizieren.

Vision der zellfreien Produktion im elektrochemischen System

Stoffwechselmodell für Nichtschwefel-Purpurbakterien, Screenshot vom CellNetAnalyzer. Das Modell zeigt berechenbare Stoffflüsse (blau) für photoheterotrophes Wachstum auf Succinat (grün: vorgegebene Stoffflüsse). © Oliver Hädicke, MPI Magdeburg
Zu Beginn eines so langfristigen Vorhabens lässt sich vieles noch nicht absehen. Wie zum Beispiel die Frage, ob die identifizierten CO2-fressenden Enzyme genetisch optimiert werden sollten. In diesem frühen Stadium lässt sich auch die Frage noch nicht beantworten, wie sich die Enzyme im zellfreien elektrochemischen System am besten stabilisieren lassen. Geklärt muss auch werden, wie und aus welchen Quellen das Kohlenstoffdioxid eingebracht wird. Kritisch ist für eine zukünftige technische Nutzung, dass die Purpurbakterien einen nicht gerade billigen Wertstoff wie Bernsteinsäure mit Vorliebe verspeisen. Ältere Arbeiten, sagt Grammel, setzten Molkereiabfälle am gleichen Bakterium ein, oder auch Sulfit-Laugen aus der Papierindustrie. Während es in den Biberacher Laboren darum geht, aus der extrem großen Vielfalt des CO2-Stoffwechsels diejenigen CO2-verbrauchenden Enzyme zu identifizieren und zu charakterisieren, die sich am besten für eine technische Nutzung eignen, werden die Magdeburger Kollegen um Klamt das Stoffwechselnetzwerk in silico um alle bekannten CO2-fixierenden Stoffwechselwege erweitern. In diesem momentan noch aus drei bakteriellen Spezies akkumulierten Stoffwechselnetzwerk lassen sich am Rechner all diese Stoffwechselwege beliebig kombinieren und die effizientesten Stoffflüsse berechnen. Im Grunde geht es dann darum, in einer Kombination aus Computersimulation und Experiment diejenigen Enzym-Kombinationen zu finden, die am vielversprechendsten für eine Anwendung sind.

Endlich eine Alternative zu RuBisCO?

Es wird Jahre dauern, bis die Modellierung abgeschlossen ist und die technische Umsetzung angegangen werden kann. Dass das BMBF öffentliche Mittel für Vorhaben wie dieses gibt, liegt am Charme des Ansatzes: Erstmals gäbe es eine Alternative zum ineffizienten Pflanzenenzym RuBisCO, das nicht nur auf den limitierenden Faktor Licht verzichten, sondern vermutlich auch deutlich energieärmer genau umrissene kohlenstoffbasierte Produkte herstellen könnte. Sind die Forscher in Biberach und Magdeburg erfolgreich, hätte sich dann ein kleiner Teil der noch abstrakten Idee einer wissensbasierten Biowirtschaft materialisiert.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Das Zytoplasma (Zellplasma) ist der lichtmikroskopisch betrachtet mehr oder weniger unstrukturierte Teil einer Zelle.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Ein Fermenter ist ein Gärtank, in dem Bakterien oder Zellkulturen vermehrt werden.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Die Bernsteinsäure ist eine organische Säure, die sowohl als Stoffwechselprodukt als auch in vielen Früchten, Gemüsen und fossilen Harzen vorkommt. Ihr Salze heißen Succinate.
  • Karotinoide sind Farbstoffe, die in höheren Pflanzen in Laubblättern, Früchten, Wurzeln Pollen und Samen vorkommen. Außerdem werden diese Farbstoffe auch von Bakterien und Pilzen erzeugt. Tiere können sie nur mit der Nahrung aufnehmen. Karotinoide verursachen eine gelbliche bis rötliche Färbung und sind in pflanzlichen Organismen an der Energiegewinnung beteiligt.
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Vitamine sind lebenswichtige organische Verbindungen, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, da sie der Körper nicht selbst synthetisieren kann. Sie sind für die Regulation des Stoffwechsels verantwortlich, indem sie die Verwertung von Kohlenhydrate, Proteine und Mineralstoffe ermöglichen. Man unterscheidet zwischen fettlöslichen und wasserlöslichen Vitaminen. Vitamin C ist zum Beispiel für die Stärkung des Immunsystems zuständig. Ausnahme: Vitamin D kann vom Körper produziert werden, solange genug Sonnenlicht vorhanden ist.
  • Aerob bedeutet "mit Sauerstoff".
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/forschung-in-biberach-leuchtet-die-zukunft-der-biooekonomie-purpurn/