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Preisgekrönte Goldgewinnung mit Bakterien

Das Heidelberger Studententeam im internationalen iGEM-Wettbewerb Synthetische Biologie 2013 hat eine Methode für das Recycling von Gold aus Elektronikschrott durch Biomineralisation mit Hilfe eines Bakterien-Peptids entwickelt. Dazu wurde der gesamte Syntheseweg des Peptids rekombinant auf E. coli übertragen. Mit ihrem Verfahren, das mit klassischer chemischer Goldaufarbeitung konkurrenzfähig ist, errang das Team den Gesamtsieg im iGEM-Wettbewerb.

Goldhaltige Kontaktstifte aus einem alten Prozessor. © iGEM Heidelberg 2013

Kein anderes chemisches Element hat Menschen über Jahrtausende hinweg so fasziniert wie das Gold – von den altägyptischen Pharaonen über die Inkas und spanischen Konquistadoren bis zum Goldfieber Kaliforniens oder Australiens und den Goldspekulationen unserer Tage. In den 1920er Jahren suchte der berühmte Chemiker Fritz Haber jahrelang nach Wegen, um das im Meerwasser gelöste Gold zu gewinnen, mit dem Deutschland die im Versailler Vertrag auferlegten Reparationskosten des Ersten Weltkrieges hätte bezahlen können. Der Nobelpreisträger, Erfinder der Ammoniaksynthese aus Luftstickstoff und Wasserstoff, gab auf, „nach dieser zweifelhaften Stecknadel in einem Heuhaufen zu suchen“, wie er in seinem Forschungsbericht 1926 schrieb, nachdem er festgestellt hatte, dass der Goldgehalt im Meerwasser etwa tausendfach niedriger war als zunächst angenommen.

An Versuchen, Gold aus anderen als den üblichen Lagerstätten zu extrahieren, hat es seitdem nicht gefehlt. Heute wird Gold nicht nur als nationale Reserve der Zentralbanken und für Schmuck und Kunst wie eh und je verwendet, sondern in steigendem Maße in der Elektronikindustrie, z.B. als wesentliche Komponente moderner Computer und Mobiltelefone. Der dramatische Anstieg des Goldpreises und neue technische Möglichkeiten haben in den letzten Jahren die Bemühungen um eine Goldgewinnung aus unkonventionellen Quellen weiter verstärkt.

Weltmeister 2013 im iGEM-Wettbewerb

Goldhaltige Lösung aus den Stiften eines alten Prozessors. © iGEM Heidelberg 2013

Ein Team von 13 Studierenden der Universität Heidelberg und des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) hat jetzt im Rahmen des renommierten iGEM-Wettbewerbs in synthetischer Biologie eine Methode für die Rückgewinnung von reinem Gold entwickelt. Dieses wird aus Elektronikschrott mit Hilfe eines Peptids aus dem Bakterium Delftia acidovorans gewonnen. Der jetzt zum neunten Mal vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, ausgetragene Studentenwettbewerb iGEM („international Genetically Engineered Machines competition“) ist inzwischen zu einem internationalen Markenzeichen geworden: In diesem Jahr beteiligen sich 204 Teams aus aller Welt, darunter elf aus Deutschland.

Von den sechs Teams, die sich für die iGEM-Endausscheidung am MIT Anfang November 2013 qualifizierten, stammten fünf aus Europa und drei aus Deutschland. Den Gesamtsieg holte sich das Heidelberger Team, das von dem Mathematiker und Systembiologen Prof. Dr. Roland Eils und Dr. Barbara Di Ventura, Gruppenleiterin für Synthetische Biologie am BioQuant Heidelberg, wissenschaftlich betreut wurde. Zusammen mit dem Team aus Freiburg errangen die Heidelberger auch den „Best Foundational Advance Award“, den Sonderpreis für die besten Fortschritte in den Grundlagen der synthetischen Biologie.

Das preisgekrönte Projekt

Feste Goldpartikel, die durch Delftia acidovorans in Petrischalen präzipitiert wurden. © iGEM Heidelberg 2013

In dem Projekt, das die Heidelberger Jungwissenschaftler im iGEM-Wettbewerb vorstellten, wird eine Substanz aus dem Bakterium Delftia acidovorans verwendet, um elementares Gold aus einer Goldlösung auszufällen und rückzugewinnen. Man hat dieses Bakterium unter anderem in Goldminen gefunden. Es wächst aber relativ langsam – wie viele andere in einem extremen Milieu lebende Bakterien auch. Delftia schützt sich gegen die toxische Wirkung der Goldchlorid-Ionen durch die Produktion eines Gold-präzipierenden Peptids aus zehn Aminosäuren. Dieses als Delftibactin bezeichnete ungewöhnliche Molekül gehört zu den „nicht-ribosomalen Peptiden“ (NRPs), das heißt, seine Synthese erfolgt nicht über eine spezielle MessengerRNA an den Ribosomen, sondern über den sogenannten Polyketid-Weg in einer Reaktionskette spezifischer Enzyme. 

Vor Kurzem fanden amerikanische Forscher, dass diese synthetisierenden und modifizierenden Enzyme im Delftia-Genom von einem zusammenhängenden Cluster aus 21 Genen kodiert werden. Das iGEM-Team hat dieses große „DEL-Cluster“ aus Delftia isoliert und in das leicht zu handhabende und schnell wachsende Laborbakterium Escherichia coli eingebaut. Zusätzlich wurden zwei weitere Enzyme aus Bacillus subtilis in E. coli inseriert, eines zur besseren Aktivierung der Polyketid-Synthase und ein für die Reaktion benötigtes Substrat (Methylmalonyl-CoA), das von E. coli natürlicherweise nicht metabolisiert werden kann.

Experimentell konnten die Heidelberger zeigen, dass ihr rekombinanter E.-coli-Stamm das NRP Delftibactin in ausreichenden Mengen produziert, sodass eine industrielle Anwendung möglich erscheint. Um NRPs besser sichtbar machen und aufreinigen zu können, entwickelten die Studenten einen in die Peptide eingebauten Farbstoffmarker, und dieses neuartige, auf dem NRP Indigoidine basierende Nachweisverfahren meldeten sie auch zum Patent an. Mit dem rekombinant hergestellten Delftibactin konnten sie aus Goldlösungen niedriger Konzentration, wie sie bei der Extraktion aus Elektronikschrott anfallen, das Edelmetall in guter Ausbeute rückgewinnen.

Der Stein der Weisen

Hat nun das Team aus der Universität Heidelberg und dem Deutschen Krebsforschungszentrum den „Stein der Weisen“ gefunden, nach dem die Alchemisten jahrhundertelang gesucht hatten, um wertlose Stoffe in Gold zu verwandeln? Die Jury des iGEM-Wettbewerbs 2013 jedenfalls ließ sich nicht nur von dem eleganten Lösungsansatz aus dem Bereich der synthetischen Biologie und der Qualität der Durchführung und Präsentation des Projektes überzeugen, sondern auch von der Machbarkeitsstudie, die von den Studenten für ein industrielles Gold-Recycling mithilfe von Delftibactin vorgelegt wurde.

Jedes Jahr fallen Millionen Tonnen Elektronikschrott an, in denen viele Tonnen von Gold und anderen seltenen Metallen stecken. Nach einer Studie der Technischen Universität Berlin waren es 2007 in Deutschland allein mehr als zwei Tonnen Gold im Wert von damals 92 Millionen Dollar. Das heute meist verwendete chemische Verfahren zur Extraktion von Gold aus solchen Abfällen beruht auf Elektrolyse. Damit vermeidet man zwar die in Goldminen oft noch eingesetzte hochgiftige Zyanidlauge, aber die Elektrolyse ist sehr energieaufwändig und ineffizient. Man schätzt, dass nicht mehr als 10 bis 15 Prozent des Metalls auf diese Weise zurückgewonnen werden.

Die jetzt vorgestellte Methode der Biomineralisation von Gold mit Hilfe von Delftibactin ist mit geschätzten Kosten von ca. 180 Euro pro Mol schon jetzt mit der klassischen chemischen Goldaufarbeitung konkurrenzfähig. Und sie belastet die Umwelt deutlich weniger, betonte der Coach des Heidelberger iGEM-Teams Roland Eils, Abteilungsleiter für Theoretische Bioinformatik am DKFZ und Ordinarius für Bioinformatik und Funktionelle Genomik sowie Geschäftsführender Direktor des BioQuant der Universität Heidelberg. Er hatte schon in den vergangenen Jahren Studententeams betreut, die bei iGEM-Wettbewerben Preise errungen hatten. Aber das international mit großer Aufmerksamkeit registrierte Gold-Recycling-Projekt hat diese Erfolge noch überboten. Vielleicht ist es die Stecknadel, die Fritz Haber vergeblich im Heuhaufen gesucht hatte.

Das siegreiche Heidelberger iGEM-Team (links: Prof. Roland Eils) © Universität Heidelberg
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/preisgekroente-goldgewinnung-mit-bakterien