Robert Klatt
Gentechnisch optimierte Bakterien können Moleküle für einen Biokraftstoff erzeugen, der Benzin, Kerosin und Raketentreibstoff übertrifft.
Berkeley (U.S.A.). Bakterien produzieren seit Milliarden von Jahren unterschiedliche Energiemoleküle auf Basis von Kohlenstoff. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), einer Forschungseinrichtung des United States Department of Energy (Energieministerium), haben nun Bakterien dazu verwendet, um einen neuen Biotreibstoff für Raketen herzustellen.
„Die Frage, die dazu geführt hat, lautet: Welche interessanten Strukturen kann die Biologie erzeugen, die die Petrochemie nicht herstellen kann? Bei petrochemischen Kraftstoffen erhält man zudem eine Art Suppe verschiedener Moleküle und man hat keine große Kontrolle über diese chemischen Strukturen“, erklärt Eric Sundstrom.
Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Joule wollten die Forscher mithilfe von Bakterien keine bereits bekannte Treibstoffe erzeugen, sondern neue Verbindungen mit besseren chemischen Eigenschaften entdecken. Der Fokus lag dabei auf Cyclopropan-Molekülen, mit Kohlenstoffringen aus drei Atomen. In der wissenschaftlichen Literatur konnte das Team nur zwei bereits bekannte organische Cyclopropan-Verbindungen finden.
Bei einer dieser Verbindung handelt es sich um das sogenannte Jawsamycin, das die Wissenschaft aufgrund seiner pilzhemmenden Eigenschaften bereits detailliert analysiert hatte. Jawsamycin wird von Streptomyces-Bakterien erzeugt. Seinen Namen erhielt das Molekül, weil seine fünf Cyclopropan-Ringe einem Kiefer (Jaw) mit spitzen Zähnen ähneln. Problematisch ist jedoch, dass die im Labor die Jawsamycin-produzierenden Bakterien nahezu nicht gezüchtet werden können.
Die Forscher analysierten deshalb die Gene verwandter Bakterien, um Enzyme zu finden, die ähnliche Moleküle wie Jawsamycin in einer kontrollierten Umgebung produzieren können. Diese sollten jedoch nicht das schon bekannte Cyclopropan-Molekül erzeugen, sondern eine leicht geänderte Struktur, die als Treibstoff verwendet werden kann.
Um dieses Ziel zu erreichen, kombinierten die Forscher unterschiedliche bakterielle Eigenschaften, die gemeinsam das gewünschte Molekül erschaffen können. „Wir suchten in tausenden von Genomen nach Stoffwechselwegen, die das, was wir brauchten, auf natürliche Weise herstellen. So konnten wir technische Verfahren, die vielleicht oder auch nicht funktionieren, vermeiden und haben die beste Lösung der Natur genutzt“, erklärt Cruz-Morales.
Die Forscher konnten so ein Gencluster entdecken, das es ermöglicht Fettsäuremethylester mit bis zu sieben Cyclopropan-Ringen zu produzieren. Diese bezeichnen sie als POP-FAMEs (polycyclopropanierte Fettsäuremethylester). Anschließend passten die das Gencluster an das Bakterium Streptomyces albireticuli an. Dies erhöhte die Produktion der POP-FAME durch die Mikrobe um den Faktor 22.
In Laborversuchen konnte das Team genügend Cyclopropan-Verbindungen produzieren, um diese im Detail analysieren zu können. Laut Computersimulationen kann aus den Verbindungen ein Fuelimycin-Treibstoff mit einer Energiedichte von mehr als 50 Megajoule pro Liter hergestellt werden. Dies liegt deutlich über dem Brennwert von Benzin (32 Megajoule pro Liter) sowie Kerosin und Raketentreibstoff (35 Megajoule pro Liter).
Nun wollen die Forscher die Produktionseffizienz der Bakterien weiter erhöhen. „Man braucht zehn Kilogramm Treibstoff, um einen Test in einem echten Raketentriebwerk durchzuführen, und so weit sind wir noch nicht“, erklärt Cruz-Morales. Zudem wollen sie die POP-FAMEs durch die Verwendung weiterer Enzymen optimieren.
„Außerdem arbeiten wir daran, die Kettenlänge auf bestimmte Anwendungen abzustimmen. Längerkettige Kraftstoffe könnten fest werden und sich gut für Raketentreibstoffe eignen, kürzere Ketten wären gut für Flugzeuganwendungen und in der Mitte könnte ein Molekül stehen, das eine Alternative zu Diesel darstellt“, so Sundstrom. In Zukunft erhoffen sich die Wissenschaftler, dass auf Basis ihrer Methode aus pflanzlichen Abfällen mithilfe von Bakterien große Mengen Biokraftstoff erzeugt werden können.
Joule, doi: 10.1016/j.joule.2022.05.011
