Robert Klatt
Genmanipulierte Escherichia-coli-Kulturen erzeugen aus pflanzlichem Zucker Biokraftstoff. Weil bei der Photosynthese CO2 aus der Luft entfernt wird, gilt die Methode als nachhaltig.
Buffalo (U.S.A.). Viele Bakterien können pflanzliches Material mithilfe von Enzymen zersetzen. Dabei entstehen im Idealfall ohne großen Energieeinsatz, aus denen klimafreundliche und nachhaltige Kraftstoffe erzeugt werden können. Wie Zhen Wang von der University of California in Berkeley erklärt, „sind viele synthetische Verbindungen, darunter primär unsubstituierte Kohlenwasserstoffe, aber noch immer schwer allein mithilfe von Zellen herzustellen“.
Gemeinsam mit Wissenschaftler der University at Buffalo haben die Wissenschaftler deshalb nach einer Methode gesucht, die es ermöglicht mit dem Darmbakterium Escherichia coli Moleküle zu synthetisieren, die in Olefine umgewandelt werden können. Der Sammelbegriff Olefine umfasst alle Kohlenwasserstoffe, die zumindest eine Doppelbindung enthalten. Sie sind unter anderem in Benzin enthalten, dienen aber auch als Grundstoffe für die Plastikproduktion und weitere chemische Prozesse.
Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Chemistry dienten normale Escherichia-coli-Kulturen als Ausgangspunkt der Studie. „Diese Mikroben sind echte Zucker-Junkies“, erklärt Wang. Das Ziel der Forscher war, dass diese Bakterien unabhängig von ihrem Zellwachstum möglichst effizient Hydroxy-Fettsäuren bilden. Dies sind mittellange Kohlenwasserstoffketten, die dann in Olefine umgewandelt werden können. Dazu schleuste das Team Gene für vier zusätzliche Enzyme in die Escherichia-coli-Bakterien ein.
Sie konnten so einen Bakterienstamm erzeugen, der in einem vierschrittigen Prozess mit hoher Effizienz Hydroxyfettsäuren aus Zucker bildet. Die Ausbeute lag pro Liter Mikrobenlösung zwischen 780 und 1.600 Milligramm, also bei einer Effizienz von etwa 86 Prozent.
Anschließend erfolgte die Umwandlung der Hydroxyfettsäuren durch chemische Katalysatoren in Alkene mit einer Länge von sechs bis neun Kohlenstoffatomen. „Wir haben das, was die Biologie am besten kann, mit dem chemisch gut Machbaren kombiniert und so diesen zweischrittigen Prozess entwickelt. Im Prinzip können wir damit Olefine direkt aus Glucose herstellen“, erklärt Wang.
Die dabei erzeugten Kraftstoffe aus Biomasse gelten als klimafreundlich, weil der verarbeitete pflanzliche Zucker bei der Photosynthese entsteht. Bei der Produktion des Grundstoffs wird also CO2 aus der Atmosphäre entfernt.
„Biokraftstoffe aus erneuerbaren Rohstoffen wie pflanzlichen Zuckern herzustellen, hat daher das Potenzial, grüne Technologien voranzubringen“, so Wang. Besonders nachhaltig ist dies, wenn bei der Produktion Pflanzenabfälle eingesetzt werden. Die mikrobielle Olefin-Synthese steht jedoch noch am Anfang ihrer Entwicklung und die Alken-Ausbeute von etwa acht Prozent ist noch relativ gering. Es ist daher unklar, ob und wie das Verfahren im industriellen Ausmaß verwendet werden kann.
Nature Chemistry, doi: 10.1038/s41557-021-00820-0
