Fit für die Bio­tech­no­lo­gie: Neu­er Organismus

Als wich­ti­ger Aus­gangs­stoff für Che­mi­ka­li­en in der Phar­ma­zie und Kos­me­tik dient die Bern­stein­säu­re , aber auch als Bau­stein für bio­lo­gisch abbau­ba­re Kunst­stof­fe ist sie nütz­lich. Sie wird der­zeit haupt­säch­lich aus petro­ba­sier­ten Pro­zes­sen gewon­nen. For­schen­de am Cam­pus Strau­bing der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM) ver­wen­den das Mee­res­bak­te­ri­um Vibrio natrie­gens als Bio­ka­ta­ly­sa­tor. Damit könn­te sich Bern­stein­säu­re in nach­hal­ti­gen Pro­duk­ti­ons­ver­fah­ren aus nach­wach­sen­den Roh­stof­fen her­stel­len lassen.
Das Mee­res­bak­te­ri­um Vibrio natrie­gens zeich­net sich durch ein extrem schnel­les Wachs­tum aus. Es ist der schnellst wach­sen­de, nicht krank­heits­er­re­gen­de Orga­nis­mus, der bis­lang bekannt ist. Damit ein­her geht sei­ne Fähig­keit, Sub­stra­te – die Aus­gangs­stof­fe der Kata­ly­se – sehr schnell aufzunehmen.

„Wir arbei­ten mit Hoch­druck dar­an, Vibrio natrie­gens in der Bio­tech­no­lo­gie zu etablieren.“
—  Bas­ti­an Blom­bach, Pro­fes­sor für Mikro­biel­le Biotechnologie

Das Team von Prof. Blom­bach am TUM Cam­pus Strau­bing für Bio­tech­no­lo­gie und Nach­hal­tig­keit arbei­tet dar­an, mit­hil­fe die­ses Mee­res­bak­te­ri­ums Pro­duk­ti­ons­pro­zes­se zeit­ef­fi­zi­en­ter und somit Res­sour­cen-scho­nen­der gestal­ten zu kön­nen sowie die benö­tig­te Grö­ße von bio­tech­no­lo­gi­schen Anla­gen zu verringern.

Mee­res­bak­te­ri­um hilft bei der Her­stel­lung der Bernsteinsäure

Die For­sche­rin­nen und For­scher konn­ten nun am Bei­spiel der Bern­stein­säu­re das Poten­zi­al die­ses Mee­res­bak­te­ri­ums auf­zei­gen. Bern­stein­säu­re ist orga­nisch und kommt in fos­si­len Har­zen wie Bern­stein oder auch in Braun­koh­le vor. In der Natur ist die Säu­re zum Bei­spiel in unrei­fen Wein­trau­ben, Rha­bar­ber oder Toma­ten zu finden.
Im Stoff­wech­sel aller Orga­nis­men kommt Suc­ci­nat, das Salz der Bern­stein­säu­re, beim Abbau von Glu­ko­se als Zwi­schen­stu­fe vor. Das natür­li­che Vor­kom­men der Bern­stein­säu­re im Stoff­wech­sel wird in der Bio­tech­no­lo­gie nun genutzt, um sie gezielt durch Mikro­or­ga­nis­men wie dem von den For­schen­den ein­ge­setz­ten Mee­res­bak­te­ri­um her­stel­len zu las­sen. Dazu ist ein Ver­ständ­nis der Stoff­wech­sel­leis­tung mikro­biel­ler Platt­for­men wie Vibrio natrie­gens wesentlich.

Poten­zi­al für die indus­tri­el­le Biotechnologie

Das Team um Prof. Blom­bach nutzt Metho­den des Meta­bo­lic Engi­nee­rings, um sol­che neu­ar­ti­gen mikro­biel­len Sys­te­me für die indus­tri­el­le Bio­tech­no­lo­gie zu ent­wi­ckeln. Mit­tels moder­ner Metho­den des Gene­tic Engi­nee­rings kön­nen dann maß­ge­schnei­der­te Zell­fa­bri­ken entstehen.

„Wir haben Plas­tik­röhr­chen mit einer Salz­lö­sung gefüllt, in der Vibrio natrie­gens sich wohl fühlt, Glu­ko­se hin­zu­ge­ge­ben und das Gan­ze luft­dicht ver­schlos­sen. In Abwe­sen­heit von Sauer­stoff haben die Bak­te­ri­en dann den Zucker und das im Medi­um gelös­te CO2 zu Bern­stein­säu­re umge­setzt. Die­ser Vor­gang war nach etwa zwei bis drei Stun­den abgeschlossen.“
— Dr. Felix Tho­ma, Wis­sen­schaft­ler an der Pro­fes­sur für Mikro­biel­le Biotechnologie

Im wei­te­ren Ver­lauf der Stu­die haben die For­schen­den die Expe­ri­men­te im Bio­re­ak­tor durch­ge­führt. Dort konn­ten sie zusätz­lich den pH-Wert kon­trol­lie­ren, denn durch die Bil­dung der Säu­re wird die­ser sonst mit der Zeit unwirt­lich. Außer­dem konn­ten sie genü­gend Sub­stra­te „nach­füt­tern“.

Ein Bak­te­ri­um auf dem Weg zum wich­ti­gen Prozesspartner

Bern­stein­säu­re zählt zu den zwölf zen­tra­len Pro­duk­ten, die zukünf­tig bio­tech­no­lo­gisch her­ge­stellt wer­den könn­ten, um einer petro­che­mi­schen Dar­stel­lung Kon­kur­renz zu machen. „Nur zwei Jah­re Ent­wick­lungs­ar­beit mit dem Mee­res­bak­te­ri­um haben zu ver­gleich­ba­ren Leis­tungs­merk­ma­len geführt, wie sie ande­re Sys­te­me nach 15 bis 20 Jah­ren auf­wei­sen. Damit ist das Mee­res­bak­te­ri­um ein neu­er poten­ter Akteur in der indus­tri­el­len Bio­tech­no­lo­gie“, sagt Thoma.
Durch geziel­te gene­ti­sche Modi­fi­ka­ti­on ist es dem For­schungs­team gelun­gen, den Stoff­wech­sel die­ses Bak­te­ri­ums so zu opti­mie­ren, dass Glu­ko­se effi­zi­ent in Bern­stein­säu­re umge­setzt wird — und das mit sehr hoher Pro­duk­ti­vi­tät. „Auf dem Weg zu einem indus­tri­ell rele­van­ten Pro­zess muss hin­sicht­lich der Pro­zess­füh­rung noch eini­ges getan wer­den“, sagt Prof. Blom­bach. Jetzt kon­zen­triert sich das For­schungs­team auf die Pro­zess­ent­wick­lung mit Vibrio natrie­gens und die Nutz­bar­keit nach­wach­sen­der Roh­stof­fe und Abfall­strö­me, die nicht mit der Lebens­mit­tel­in­dus­trie konkurrieren.