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Schaum aus Bakterien

In allen Waschmitteln oder Haushaltsreinigern sind Tenside enthalten, die den Schmutz binden und löslich machen. Bisher wurden sie aus organischen Stoffen im Erdöl synthetisiert. Im Zuge der Nachhaltigkeitsdebatte richten immer mehr Hersteller ihr Auge auf biologische Alternativen. Die Forschungsgruppe von Dr. Rudolf Hausmann untersucht am Karlsruhe Institute of Technology (KIT), unter welchen Bedingungen Mikroorganismen sogenannte Biotenside produzieren. Diese Substanzen sind genauso wirksam wie ihre synthetischen Verwandten und dazu biologisch abbaubar. Wie kann man Bakterien zu einer kostengünstigen Massenproduktion bewegen? Und wie könnten auch die Pharma-, Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie profitieren?

Ein Beispiel für die chemische Struktur eines Biotensids. © Dr. Rudolf Hausmann

Tenside sind Moleküle, die einen wasserlöslichen und einen fettlöslichen Teil aufweisen. Die fettlöslichen Bereiche können sich an Schmutzpartikel oder andere fettige Substanzen anlagern und um sie eine Schicht bilden. Die wasserlöslichen Bereiche ragen dann nach außen und sind in einem wässrigen Medium lösbar. Auf diese Weise helfen Tenside, Schmutz von Kleidung oder Essensreste von Tellern abzulösen. Tenside sind Hauptbestandteile von Waschmitteln, Seifen oder Haushaltsreinigern. „In der Industrie herrscht ein großer Bedarf an diesen Stoffen“, sagt Dr. Rudolf Hausmann vom Bereich Technische Biologie, der von Prof. Christoph Syldatk geleitet wird, am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des Karlsruhe Institute of Technology (KIT). „Bisher werden vor allem petrochemisch basierte Tenside hergestellt, aber in den letzten Jahren wächst der Bedarf an biologisch abbaubaren Tensiden auf Basis nachwachsender Rohstoffe.“

Ein Zwei-Stufen-Prozess in Edelstahlkesseln

Biotenside stellen eines der Interessensgebiete von Hausmanns Arbeitsgruppe dar. „Als wir vor sieben Jahren mit diesem Thema anfingen, wollte niemand etwas davon wissen“, sagt der Forscher. „Heute müssen wir teilweise Projektangebote aus der Großindustrie ablehnen, weil wir so viel zu tun haben.“ Die Karlsruher untersuchen vor allem sogenannte Rhamnolipide. Das sind Moleküle, deren wasserlöslicher Anteil durch verschiedene Kombinationen des Zuckers Rhamnose gebildet wird. Den fettlöslichen Anteil bilden verschiedene Fettsäuren. Rhamnolipide werden von Mikroorganismen produziert, zum Beispiel von den Bakterien der Pseudomonas-Familie. Die Mikroorganismen brauchen diese Substanzen, um pflanzliche Öle unter Mangelbedingungen aus der Umgebung in Lösung zu bringen und als Energiequelle in ihr Inneres aufzunehmen. Die Forscher versuchen, Pseudomonas-Bakterien unter solchen Bedingungen in einem Bioreaktor zu züchten und eine optimale Ausbeute zu erreichen.

Einer der Bioreaktoren, in dem Dr. Rudolf Hausmann und sein Team vom KIT Biotenside „züchten“. © Dr. Rudolf Hausmann

„Das Hauptproblem im Hinblick auf eine industrielle Produktion ist, dass man die Produktionskosten soweit wie möglich senken muss“, sagt Hausmann „Unsere Herausforderung ist es, in unseren Bioreaktoren erstens so viel Biomasse wie möglich zu erzeugen und zweitens aus dieser Biomasse so viel gewünschte Substanzen wie möglich zu gewinnen.“ Was in den Edelstahlkesseln mit der grünen Suspension im Labor von Hausmanns Forschungsgruppe abläuft, ist also ein sogenannter Zwei-Stufen-Prozess: Der erste Schritt ist die Wachstumsphase, der zweite die Produktionsphase. Die Ausbeute ist schon heute relativ hoch. Hausmann und sein Team gewinnen etwa 40 Gramm Rhamnolipide aus einem Liter Bakteriensuspension, rund das Tausendfache der natürlichen Produktivität von Bakterien. Aber damit das Verfahren industriell rentabel wird, muss es noch mal um den Faktor zehn zeitlich verkürzt und die erreichbare Konzentration muss weiter erhöht werden.

Aspekte des bakteriellen Stoffwechsels im Fokus

Welche Rahmenbedingungen müssen im Bioreaktor eingestellt werden, damit dies erreicht werden kann? Hausmann und sein Team testen verschiedene Parameter. Sie stellten in Experimenten fest, dass die Bakterien in der Produktionsphase vor allem allgemeinem Stress ausgesetzt werden müssen, damit sie Rhamnolipide erzeugen. Allgemeiner Stress bedeutet zum Beispiel einen Mangel an Eisen- oder Kupferionen. Außerdem muss die Zelldichte hoch genug sein. Die Mikroorganismen sind vor allem dann willig, die gewünschten Substanzen herzustellen, wenn sie besonders dicht „aufeinander hocken“. „Diese Bedingungen sind in normalen Schüttelkolben nicht so leicht nachzustellen“, sagt Hausmann. „Das geht nur im Bioreaktor.“

Um die Produktivität zu optimieren, müssen die Forscher auch verstehen lernen, wie sich die limitierenden Bedingungen im Wachstumsmedium auf die Physiologie der Bakterien auswirken. Mit verschiedenen Kooperationspartnern untersuchen sie daher auch Aspekte des bakteriellen Stoffwechsels. Können gezielte molekularbiologische Eingriffe in den Metabolismus eine höhere Ausbeute erzielen? Moderne Techniken der Systembiologie werden in Zukunft gefragt sein (zum Beispiel des sogenannten Metabolic engineering). Dieser vielversprechende Ansatz wird bereits in einem von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe geförderten Projekt verfolgt. In einem weiteren aktuellen Projekt der Landesstiftung Baden-Württemberg gehen die Forscher um Hausmann das Problem außerdem mit einem computergestützten Ansatz an. „Es geht hierbei um eine modellgestützte Prozesskontrolle“, erklärt Hausmann. „Wir betrachten die molekulare Ebene und fragen zum Beispiel, welche Regulatoren wann eingeschaltet sein müssen. Das untersuchen wir dann auch in Computermodellen.“

Blitzblanke Tanks

Biotenside haben neben ihrer biologischen Abbaubarkeit noch einen weiteren Vorteil. Sie weisen eine hohe strukturelle Vielfalt auf (es sind heute rund Zweitausend verschiedene Molekülspezies bekannt). Während es der Wasch- und Reinigungsmittelindustrie um die allgemeine Wirksamkeit und die Kosten geht, sind für Pharma-, Lebensmittel- oder Kosmetikhersteller durchaus spezifische chemische Eigenschaften von Tensiden interessant. Den Kooperationspartnern des Hausmann-Teams aus der Pharmaindustrie geht es zum Beispiel um konkrete chemische Charakteristika, die sich für therapeutische Zwecke ausnutzen lassen. Deshalb versuchen die Karlsruher Forscher, Biotenside gezielt zu modifizieren, etwa durch das Anhängen verschiedener Molekülgruppen (zum Beispiel unterschiedlicher Zucker) an die Fettsäuregerüste. „In diesem Zusammenhang untersuchen wir die Möglichkeiten einer enzymatischen Umsetzung“, sagt Hausmann. Das könnte in Zukunft auch für die Lebensmittel- und Kosmetikbranche interessant werden.

Die Markteinführung von Rhamnolipiden ist laut Hausmann nur noch eine Frage der Zeit. Inzwischen arbeiten er und seine Mitarbeiter eifrig an der Optimierung der Herstellungsprozesse in ihren Bioreaktoren. Um eines müssen sie sich dabei nicht kümmern. „Spülen müssen wir unsere Bioreaktoren nach einem Experiment nicht“, sagt Hausmann. „Die Bakterien produzieren so viel Spülmittel, dass die Tanks nach Ablassen des Inhalts blitzblank sind.“

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