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Unwirtliche Winkel als Fundgrube für Extremozyme

In der Wüste Namib wie in der Antarktis gedeiht oberflächlich betrachtet nicht viel. Die Vielfalt nur wenige Zentimeter unter der Oberfläche ist dafür umso größer, und das weiß heute auch die Industrie. Denn die Mikroorganismen, die in diesen extremen Lebensräumen überleben, haben molekular für viele technische Bereiche etwas zu bieten: längst finden sogenannte Extremozyme in der Herstellung von neuen Kosmetika, Waschmitteln oder Arzneimitteln eine Anwendung und diese Goldgrube der Natur ist noch kaum erschlossen. Prof. Dr. Christoph Syldatk und sein Team vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) kommen auf ihrer Suche nach den Exoten der Biochemie in Hitzewallungen und ins Bibbern. Es gibt noch viel Neues zu entdecken abseits der Wohlfühlzonen.

Ein Salzstein aus der Wüste Namib, in dessen Innerem eine Vielzahl verschiedener extremophiler (vor allem Salz liebender) Bakterien lebt. © Prof. Dr. Christoph Syldatk

„Eine stundenlange Fahrt durchs Nichts einer lebensfeindlichen Wüste“, erinnert sich Prof. Dr. Christoph Syldatk vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), „und dann plötzlich heiße Quellen und an ihren Rändern faszinierende Gesteinsformationen aus exotischen Salzen. Bricht man einen dieser Steine auf, dann findet sich im Inneren ein wahnsinniges mikrobielles Leben.“ Syldatk und sein Team vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik am KIT suchen in ihrem Labor nach neuen Stoffwechselprodukten aus sogenannten extremophilen Mikroorganismen, die für industrielle Anwendungen interessant sein könnten. Die Überlebenskünstler unter den Bakterien und einzelligen Pilzen finden sich nicht nur in salzigen Heißwasserquellen, sondern auch im Wüstenboden selbst, in der Tiefsee oder in der Antarktis. Und so haben die Forscher aus Karlsruhe schon vor Jahren weltweit Kooperationen angestoßen, um an Material zu kommen und um die Vielfalt des Lebens an extremen Standorten für die Kosmetik-, Lebensmittel-, Pharma- und Reinigungsmittelindustrie zu erschließen.

Kalte Waschgänge und die Herstellung exotischer Aminosäuren

Eine solche Kooperation besteht derzeit zum Beispiel mit zwei universitären Forschungsgruppen aus dem südafrikanischen Kapstadt. Die Forscher um Prof. Dr. Stephanie Burton und Prof. Dr. Don Cowan sind spezialisiert auf die Erforschung der mikrobiellen Biodiversität in der Antarktis und in der Wüste Namib. Sie nehmen Gesteins- oder Eisproben und bestimmen die gesellschaftlichen Zusammensetzungen der sich darin tummelnden Bakterien. Sie screenen die Genome der einzelnen Arten und stellen sie in Gendatenbanken, geordnet nach Lebensraum, zusammen. „Diese Datenbanken sind für uns eine Fundgrube“, sagt Syldatk. „Mit den in unserem Karlsruher Labor etablierten Techniken sind wir in der Lage, nach bestimmten molekularen Strukturen zu suchen, die enzymatische Aktivität aufweisen.“ In den Bioreaktoren der Karlsruher lassen sich außerdem Proben kultivieren, die besondere Eigenschaften aufweisen wie etwa das Überleben bei niedrigen Temperaturen auf Nährmedien, die nur bestimmte Lipide enthalten. Denn solche aus der Antarktis stammenden Bakterien müssen über Enzyme verfügen, die Lipide spalten und bei energiesparenden Waschgängen unter 30° C als Grundlage für eine neue Generation von Waschmitteln eingesetzt werden könnten.

Mit Kooperationspartnern aus England haben die Karlsruher bereits vor einigen Jahren Enzyme aus Tiefseeorganismen der Gattung Rhodococcus untersucht, die giftige Nitrile spalten und für die Herstellung von außergewöhnlichen Aminosäuren als Vorstufen für semisynthetische Antibiotika dienen könnten. Aus dieser Zusammenarbeit, die vom heutigen Chemieriesen Evonik Industries AG (damals Degussa AG) unterstützt wurde, haben sich sogar konkrete Verfahrenstechniken für die industrielle Nutzung ergeben. Die Liste der interessanten Stoffgruppen ist indes groß: Neben den Lipidasen, die Fette und Öle spalten können, gibt es da etwa Enzyme, die Emulgatoren und Stabilisatoren für Kosmetika oder Hygieneartikel produzieren. Oder Vorstufen für Biotenside, die in abbaubaren Wasch- und Spülmitteln zum Einsatz kommen könnten.

Gigantische Gendatenbanken und Hochdurchsatz-Screenings

Syldatk und sein Team sind begehrte Partner für die Industrie, denn das Arsenal an Methoden in ihrem Labor ist groß: Die Karlsruher kultivieren Mirkoorganismen mit interessanten Eigenschaften, bereiten Stoffgemische auf, entwickeln Techniken zur Immobilisierung von Enzymen auf verschiedenen Trägermaterialien, damit sie dann genauer untersucht werden können und sie entwickeln sogar Prozessführungsstrategien. Dabei schauen sie als Grundlagenforscher bisweilen tief in die molekularen Sphären hinein: Welche Strukturen sorgen zum Beispiel dafür, dass ein Enzym aus einer besonders kälteliebenden Bakterienart Lipide schon bei 20 °C spalten kann, während ein homologes Enzym aus einem eng verwandten Organismus das erst ab 50° C schafft?

Die Forscher um Prof. Dr. Christoph Syldatk (erster von links) bei ihrer Arbeit in der Wüste Namib. © Prof. Dr. Christoph Syldatk

„Früher musste man für die Untersuchung eines bestimmten Enzyms die entsprechende Bakterienart kultivieren und das war in vielen Fällen sehr schwierig bis unmöglich, weil sich einige Mikroorganismen gar nicht außerhalb ihres natürlichen Habitats kultivieren lassen“, sagt Syldatk. „Heute können wir oft das Gen für das Enzym extrahieren und einfach im Labororganismus Escherichia coli züchten.“ Die Entwicklung der Molekular- und Systembiologie der letzten zehn Jahre hat in der Forschung rund um extremophile Mikroorganismen vieles erst ermöglicht. Screenings von riesigen Genbanken und Hochdurchsatzmethoden bei der Untersuchung molekularer Strukturen haben heute vieles schneller und genauer gemacht. Und man kann sich die Arbeit teilen, wie die erfolgreichen Kooperationen mit den Südafrikanern und den Engländern zeigen. Extremophile Mikroorganismen haben noch einiges zu bieten. Syldatk freut sich schon auf die nächste Expedition in die Wüste Namib.

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