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Multitalente Cyanobakterien: Vom Biosprit zum Klimaretter

Lange schon gibt es die Cyanobakterien, früher auch Blaualgen genannt, auf unserem Planeten. Erst allmählich erkennt man das umfangreiche Potenzial dieser blaugrünen Bakterien. Seit über drei Milliarden Jahren besiedeln Cyanobakterien unsere Meere und Böden, aber erst seit ein paar Jahrzehnten beschäftigen sich Forscher intensiver mit ihnen und sind stets aufs Neue überrascht, wie viele Eigenschaften und Fähigkeiten in diesen Organismen stecken. Prof. Dr. Annegret Wilde und Prof. Dr. Wolfgang Hess vom Institut für Biologie III an der Universität Freiburg erfreuen sich schon länger an der Vielseitigkeit der Cyanobakterien. Die Wissenschaftler forschen in dem Verbundprojekt "Cyanosys - Systems biology of cyanobacterial biofuel production". Dieses zielt darauf ab, mithilfe der Cyanobakterien in großen Mengen Biokraftstoffe aus Sonnenlicht und Kohlendioxid herzustellen.

Es gibt sie schon ewig und überall: in Seen, Meeren, Wüsten, Polarregionen, an Häuserwänden und in Symbiosen. Seit ihrem Ursprung hat sich eine Heterogenität innerhalb der Cyanobakterien entwickelt, die außergewöhnlich ist. Das herausragendste Merkmal ist sicher die Fähigkeit zur oxygenen Photosynthese. Sie können Wasser und Kohlendioxid mithilfe von Sonnenlicht in organische Substanzen umsetzen. Mit den vielen Stoffwechselwegen sind diese Lebewesen fähig, nahezu alles Organische selbst zu produzieren.

Cyanobakterien können Farbpigmente, essentielle Aminosäuren, Öle und Vitamine für die Ernährungsindustrie herstellen. Sie liefern hochwertige Extrakte oder können als Rohstofflieferant mit ihrer Gesamtbiomasse nützlich sein. „Ihr Potenzial ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft", sagt Prof. Dr. Annegret Wilde von der Abteilung für Molekulare Genetik der Universität Freiburg, „auch was Toxine und bioaktive Substanzen betrifft." Selbst Antibiotika finde man immer wieder neue, daher seien Cyanobakterien „eine Superressource", meint auch Prof. Dr. Wolfgang Hess von der Abteilung Genetik und Experimentelle Bioinformatik der Freiburger Universität. Will man sie nutzen, sind diese evolutionär ursprünglichen Bakterien auch noch recht anspruchslos. Sie brauchen nur Licht und Wasser und wenige anorganische Nährstoffe, da sie Kohlenstoff und einige auch Stickstoff aus der Luft fixieren können.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • 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.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • 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.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, sind gram-negative Bakterien (Prokaryonten), die Photosynthese und vielfach auch Stickstofffixierung betreiben können.
  • Symbiose im biologischen Kontext ist das Zusammenleben von zwei oder mehr verschiedenen Arten, das für alle vorteilhaft ist.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Heterogenität bedeutet Ungleicheit bzw. Verschiedenheit in der Struktur.
  • 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)
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.
  • 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.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Bioethanol (Ethylalkohol) gehört zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschließlich aus nachwachsenden Kohlenstoffträgern, nämlich auf Basis zucker- oder stärkehaltiger Feldfrüchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerrübe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.
  • 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.
  • Ethylen ist ein gasförmiges Pflanzenhormon. Es ist an der Keimung und vor Allem an Seneszenzvorgängen (Alterungsvorgänge) der Pflanze beteiligt. Es fördert Fruchtreifung, Blütenentwicklung, den Blattfall im Herbst sowie das Absterben von Pflanzenteilen. In Gewächshäusern wird die Wirkung des Pflanzenhormons genutzt, indem Früchte mit Ethylen begast werden um den Reifungsprozess zu beschleunigen.
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.

Cyanobakterien als Treibstofffabriken

Wie eine kleine Kraftstofffabrik: Cyanobakterien haben es in sich. © Algenol Biofuels.

Viele Förderprogramme haben das Hauptziel, Cyanobakterien biotechnologisch dafür zu verwenden, energiereiche Verbindungen zur Treibstoffproduktion bereitzustellen. Biotreibstoff herstellen bedeutet bisher, dass der Anbau von Zuckerrohr oder Raps der Nahrungsmittelproduktion Ackerland entzieht, was vor allem arme Länder trifft. Der Konflikt zwischen Teller und Tank könnte eventuell durch diese einzelligen Cyanobakterien gelöst werden. Wilde und Hess engagieren sich dafür, dass die Ethanol-Produktion durch Cyanobakterien wirtschaftlich gemacht wird. Die Kohlenhydrate der Algenmasse können durch alkoholische Gärung in Ethanol umgewandelt werden. Bioethanol wird dann in Reinform oder als Beimischung zu fossilen Kraftstoffen verwendet.

„Theoretisch ist es so weit etabliert, dass es heute schon günstiger ist, Bioethanol aus Cyanobakterien herzustellen als aus Zuckerrohr", erklärt Hess. Auch Biodiesel ist längst kein Hexenwerk mehr. Das Öl aus manchen Algenarten kann durch Umesterung in dieselähnlichen Kraftstoff verwandelt werden. Im letzten Jahr hat Hess als Leiter das EU-geförderte Projekt „DIRECTFUEL" mit neun Partnern abgeschlossen. Das Ziel war, Organismen mit neuen metabolischen Fähigkeiten auszustatten, damit diese Licht und Kohlendioxid in betriebsfertigen Treibstoff umwandeln können. Propan gilt dabei als attraktives Produkt, da es bei Raumtemperatur flüchtig und unter Normaldruck leicht zu verflüssigen ist. Aus einem weiteren Grund sind gasförmige Kohlenwasserstoffe wie auch Butan und Ethylen interessant. Sie sind energiereiche Zwischenprodukte, die sich verbrennen lassen, und sie eignen sich als Grundstoff für die Herstellung von Bioplastik. Eine intelligente Alternative zu erdölbasierter Polymerproduktion.

Kopplung Photosynthese und Spritproduktion

In ihrem Pilotprojekt verwendet die Firma Algenol in Kalifornien hängende Photobioreaktoren, in denen Cyanobakterien das gewünschte Ethanol herstellen. An der Optimierung der Reaktoren wird weiter gearbeitet. © Algenol Biofuels

Wilde und Hess streben in dem Projekt „Cyanosys" an, den Kohlenstoffwechsel der Cyanobakterien im Hinblick auf eine verstärkte Ethanol-Produktion zu verbessern. Die beiden Freiburger Forscher arbeiten hierbei mit der Firma Algenol Biofuels zusammen, die in Florida bereits Bioethanol herstellt. Die Tochtergesellschaft Algenol Biofuels Germany in Berlin liefert vor allem den wissenschaftlichen Hintergrund. Da die Produktionsstämme nicht allein zur alkoholischen Gärung fähig sind, wird ein bisschen nachgeholfen. Durch Einschleusen der entsprechenden Gene vergären sie Endprodukte der Glykolyse zu Ethanol. Der einzellige Modellorganismus Synechocystis, mit dem die Berliner arbeiten, ist natürlich kompetent. „Das heißt, er lässt sich sehr gut genetisch manipulieren, weil er von Natur aus DNA aufnimmt, das ist ein natürlicher Prozess", weiß Hess.

Ebenso gibt es Cyanobakterien, die dank zweier spezieller Enzyme Synthesewege für Alkane beherrschen. „Das ist der bislang einzige bekannte Biosyntheseweg, wie in der Natur Alkane entstehen", sagt Hess, "man hatte keine Ahnung, dass Cyanobakterien das biologisch können." Alkane sind in der Chemieindustrie nur mit Verfahren unter hohem Druck und hoher Temperatur herstellbar. Interessant ist nun, biotechnologisch damit zu experimentieren und das katalytische Zentrum der Alkan-Enzyme so zu modifizieren, dass sie kürzerkettige Alkane zur Treibstoffproduktion bilden können.

Laut Algenol ist mit 75.000 Litern Ethanol pro Hektar und Jahr zu rechnen. Die produzierenden Bakterien schwimmen in einer Brühe in hängenden Plastiksäcken, den Photobioreaktoren, die das Licht optimal hineinlassen. Jede Bakterienzelle darin ist eine kleine Ethanolfabrik, die das Ethanol ins Medium abgibt. Durch Zentrifugation wird das Wasser-Ethanol-Gemisch regelmäßig von der Algenbiomasse getrennt. Dabei ist die Menge der anfallenden Biomasse durch die Cyanobakterien nicht zu unterschätzen. Diese Masse muss jedoch nicht entsorgt, sondern kann ebenfalls verwertet werden.

Die Ethanolproduktion allein ist bisher ohnehin nicht gewinnträchtig, wenn auch immer noch besser als die Herstellung aus Zuckerrohr. Lässt man die Einzeller zusätzlich Kohlenwasserstoffe (Butan, Propan, Ethylen) bilden, die in der Biomasse verbleiben, können diese zu Biodiesel und Bioplastik weiterverarbeitet werden. „Wenn man gleichzeitig Ethanol gewinnt und die Biomasse verwertet, hat man einen zweispurigen Prozess, der ökonomisch Sinn hat", findet Wilde, „das könnte jetzt der Knackpunkt sein, der die Sache besonders interessant macht."

Proteinhunger und Treibhauseffekt

Spirulina - biologisch gewachsen und zu Tabletten gepresst. © Stephanie Heyl

Auch Bill Gates investiert in die Algenforschung. Vielen Investoren ist klar, dass unsere Wirtschaftsweise umgestellt werden muss, denn bald müssen wir neun Milliarden Menschen sattbekommen und zudem den Klimawandel bewältigen. Wilde schätzt das Potenzial, das in den Cyanobakterien steckt, für die Ernährungsindustrie sogar noch höher ein als für die Kraftstoffproduktion.

Beispielsweise produziert Spirulina die semiessentielle Aminosäure L-Arginin, die als Nahrungsergänzungsmittel bekannt ist. „L-Arginin wird normalerweise aus tierischem Protein gewonnen und kann jetzt aus Cyanobakterien gewonnen werden", sagt Wilde, „Cyanobakterien können eine umweltfreundliche Proteinquelle für Entwicklungsländer und Veganer darstellen. Das wäre eine Möglichkeit, den Proteinhunger der Welt zu stillen." Um den Treibhauseffekt in unserer Atmosphäre zu vermindern, muss die Kohlendioxid-Emission massiv gedrosselt werden. „Dafür würden sich die Organismen hervorragend eignen, weil es etwas ist, das sie wirklich furchtbar gern machen: CO2 absorbieren und daraus etwas herstellen", betont Hess.

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