Makro­al­gen nach­hal­tig nutzen

Das Ziel des EU-Pro­jekts iCUL­TU­RE ist es, Algen als neue Res­sour­ce für hoch­wer­ti­ge Bio­ak­tiv­stof­fe zu nut­zen. Es zielt dar­auf ab, ein Fer­men­ta­ti­ons­ver­fah­ren zu ent­wi­ckeln, das Mee­resal­gen in bio­ak­ti­ve Wirk­stof­fe wie bei­spiels­wei­se anti­mi­kro­biel­le Pep­ti­de umwan­delt. Geför­dert wer­den die 17 Part­ner aus zehn Län­dern, dar­un­ter die Uni­ver­si­tät Ulm, im Rah­men von Hori­zon Euro­pe mit sechs Mil­lio­nen Euro über einen Zeit­raum von vier Jah­ren. Die Ulmer For­schen­den rund um Pro­fes­sor Chris­ti­an Rie­del ent­wi­ckeln dafür mikro­bio­lo­gi­sche Zellfabriken.

Mari­ne Makro­al­gen stel­len eine der größ­ten erneu­er­ba­ren und stark nach­wach­sen­den Res­sour­cen Euro­pas dar. Das Pro­jekt iCUL­TU­RE will durch Bio­raf­fi­ne­rie und anschlie­ßen­de bio­tech­no­lo­gi­sche Fer­men­ta­ti­on aus den bis zu 50 Meter lan­gen Groß­ex­em­pla­ren hoch­wer­ti­ge Sub­stan­zen pro­du­zie­ren. „Der­zeit stel­len über 100 Mega­ton­nen Algen die größ­te Bio­mas­se Euro­pas dar, aber weni­ger als 0,25 Pro­zent wer­den ver­wer­tet. Nach der Extrak­ti­on wich­ti­ger che­mi­scher Ver­bin­dun­gen aus den Algen blei­ben 50 bis 70 Pro­zent der Bio­mas­se übrig, die weg­ge­wor­fen oder bes­ten­falls als kos­ten­güns­ti­ge Dün­ge­mit­tel mit nied­ri­gem Stick­stoff­ge­halt ver­kauft wer­den“, erklärt Pro­fes­sor Nadav Bar von der Nor­we­gi­schen Uni­ver­si­tät für Wis­sen­schaft und Tech­no­lo­gie und Koor­di­na­tor des iCUL­TU­RE-Pro­jekts. „iCUL­TU­RE soll dazu bei­tra­gen, die Bedürf­nis­se der Meeres‑, Futtermittel‑, Lebens­mit­tel- und Phar­ma­in­dus­trie zu erfül­len, indem wir eine neu­ar­ti­ge abfall­freie Wert­schöp­fungs­ket­te schaf­fen. Der Schutz der bio­lo­gi­schen Viel­falt der Mee­re und die Nut­zung von Bio­res­sour­cen wird im Pro­jekt auf inno­va­ti­ve Wei­se kombiniert“.

Das Kon­zept von iCUL­TU­RE besteht dar­in, mit­hil­fe von drei soge­nann­ten Tool­bo­xen die­se neue Wert­schöp­fungs­ket­te zu eta­blie­ren. Neben einer „Arti­fi­cial Intel­li­gence-Tool­box“, die mit Algo­rith­men des maschi­nel­len Ler­nens robus­te Arten iden­ti­fi­ziert, die für die Nut­zung geeig­net sind, gibt es eine „Modell-Tool­box“, die die wider­stands­fä­higs­ten Algen vor­her­sa­gen und eine Manage­ment­stra­te­gie zur nach­hal­ti­gen Nut­zung ermög­li­chen soll. Die „Tech­no­lo­gie-Tool­box“ ent­hält alle Kom­po­nen­ten für einen digi­tal gesteu­er­ten, bak­te­ri­el­len Bio­pro­zess, mit dem aus der Bio­mas­se die­ser Algen wert­vol­le Pro­duk­te erzeugt wer­den sollen.

Genau hier setzt die Arbeit von Pro­fes­sor Chris­ti­an Rie­del vom Insti­tut für Mole­ku­lar­bio­lo­gie und Bio­tech­no­lo­gie der Pro­ka­ryo­ten der Uni­ver­si­tät Ulm an. Sei­ne For­schungs­grup­pe arbei­tet an einem bio­tech­no­lo­gi­schen Ver­fah­ren, das mit­tels Fer­men­ta­tio­nen die Zucker aus den Mee­resal­gen in anti­mi­kro­biel­le Pep­ti­de umwan­delt. Anti­mi­kro­biel­le Pep­ti­de sind klei­ne Pro­te­ine, die von einer Viel­zahl von Orga­nis­men pro­du­ziert wer­den und das Wachs­tum von Mikro­or­ga­nis­men hem­men oder die­se sogar abtö­ten. Bak­te­ri­en nut­zen anti­mi­kro­biel­le Pep­ti­de, um sich in der Kon­kur­renz um Nah­rung und Lebens­raum durch­zu­set­zen. Da die­se anti­mi­kro­biel­len Pep­ti­de teil­wei­se auch gegen Krank­heits­er­re­ger aktiv wer­den, besit­zen sie eine Rei­he von Anwen­dun­gen, zum Bei­spiel in Vieh­fut­ter, in Wund­auf­la­gen oder als Antibiotika-Ersatz.

„Eine unse­rer Auf­ga­ben inner­halb von iCUL­TU­RE wird es sein, eine Metho­de zu ent­wi­ckeln, mit der ein­zel­nen Bak­te­ri­en-Stäm­me in einer Co-Kul­tur auf­ge­spürt wer­den kön­nen. Dabei sol­len soge­nann­te Fluo­res­zenz­mar­kie­run­gen zum Ein­satz“, so der Bio­lo­ge Pro­fes­sor Chris­ti­an Rie­del. In einem zwei­ten Schritt lau­tet die Auf­ga­be, alle Bak­te­ri­en-Stäm­me so zu modi­fi­zie­ren, dass die­se das glei­che Pep­tid bil­den. „Dahin­ter steht die Idee, dass ein Kon­sor­ti­um von Stäm­men bes­ser in der Lage ist, das kom­ple­xe Gemisch an Zuckern aus der Algen­bio­mas­se zu ver­wer­ten. Wenn alle Stäm­me das glei­che Pep­tid bil­den, wird die Pro­duk­ti­on effi­zi­en­ter“, erklärt Riedel.

Pro­fes­sor Rie­del ist Teil eines inter­dis­zi­pli­nä­ren Teams, das aus 17 Part­nern in zehn Län­dern besteht. iCUL­TU­RE bün­delt so Fach­wis­sen aus den Berei­chen Infor­ma­ti­ons- und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­tech­no­lo­gie, Bio­in­for­ma­tik, bio­lo­gi­sche Viel­falt, Bio­tech­no­lo­gie, syn­the­ti­sche Bio­lo­gie und Bio­ver­fah­rens­tech­nik. Das Pro­jekt wird von der EU-Kom­mis­si­on als For­schungs- und Inno­va­ti­ons­maß­nah­me im Rah­men von Hori­zon Euro­pe finan­ziert und von der Nor­we­gi­schen Uni­ver­si­tät für Wis­sen­schaft und Tech­no­lo­gie koor­di­niert. Die För­der­sum­me beträgt ins­ge­samt sechs Mil­lio­nen Euro für vier Jah­re, davon flie­ßen knapp 650 000 Euro nach Ulm.