Kombinierte Bioraffinerien

Mit Hilfe zweier gentechnisch veränderter Bakterienarten wollen US-Forscher Biobutanol produzieren – der Kraftstoff hat eine höhere Energiedichte als das umstrittene Bioethanol.

Noch immer meiden deutsche Autofahrer das so genannte E10-Benzin, dem zehn Prozent Bioethanol beigemischt sind, wegen eventueller Motorschäden wie der Teufel das Weihwasser. Derweil raufen sich Umweltorganisationen die Haare ob der Ökobilanz des Bioethanols, das aus stärkehaltigen Pflanzen wie Mais oder Zuckerrohr gewonnen wird. Als Lösung zumindest des Umweltproblems gelten Zellulose-basierte Biokraftstoffe aus Pflanzenresten. James Liao, Molekularbiologe von der University of California in Los Angeles (UCLA) hat nun mit seiner Gruppe zwei Verfahren entwickelt, die den Zellulose-Kraftstoffen einen entscheidenden Schub auf dem Weg zur industriellen Marktreife geben könnten.

Butanol, das vier Kohlenstoffatome enthält, hat eine höhere Energiedichte als Ethanol, in dessen Molekül zwei Kohlenstoffatome stecken. „Biobutanol hat zwar technische Vorteile, aber auch hier gibt es das Problem, das zu viele Nahrungspflanzen für eine Gallone davon draufgehen“, sagt Jeremy Martin von der Union of Concerned Scientists (UCS). Bislang wird nämlich auch Biobutanol vor allem aus Maisstärke gewonnen – mit der Folge, dass große Ackerflächen dem Anbau von essbaren Getreiden entzogen werden. Die UCS macht sich deshalb beim US-Kongress dafür stark, die Subventionen für Biokraftstoffe aus Mais zu beenden.

Zu deren Boom hat ironischerweise auch Liao selbst beigetragen hat. 2008 entwickelte er einen Stoffwechselweg für Mikroorganismen, um Zuckermoleküle aus Stärke in Isobutanol zu verwandeln. Dies ist ein Isomer von Butanol, das eine besonders hohe Oktanzahl hat. Das Verfahren von Liao wird inzwischen von Gevo, einem Start-up aus Colorado, kommerzialisiert. Bei seinem Börsengang im Februar konnte Gevo 107 Millionen Dollar akquirieren, mit denen die Firma die Umrüstung der Ethanol-Anlagen für Butanol finanzieren will.

Liaos erste Neuerung führt nun den 2008 entwickelten Isobutanol-Prozess weiter, indem er die entsprechenden Gene in das Bakterium Clostridium cellulolyticum einfügt. Die Mikrobe kommt üblicherweise in kompostiertem Gras vor und baut die Zellulose in den Halmen ab. Vorarbeit hatte das vom US-Energieministerium finanzierte Joint Genome Institute geleistet, das 2009 das Clostridium-Genom sequenzierte. Liao hat das Verfahren nun im Wissenschaftsjournal Applied and Environmental Microbiology veröffentlicht.

Die Umwandlungsrate sei noch nicht besonders hoch, sagt Liao, der schwierigste Part sei jedoch mit dem jetzigen „Proof of Principle“ bewältigt. „Der Rest ist vergleichsweise einfach. Nicht trivial, aber einfach“, bekräftigt Liao. „Das Ganze ist jetzt eine eher Frage der finanziellen Mittel.“

Liao will als nächstes die genetischen Veränderungen auf eine schneller wachsende Variante von Clostridium oder einen vergleichbaren Mikroorganismus übertragen. Er schätzt, dass er die Einzeller-Biofabrik in zwei Jahren so weit hat, dass Gevo mit ihr in die Produktion gehen kann.

Allerdings ist da noch ein Stolperstein zu nehmen. Gevo-Konkurrent Butamax Advanced Biofuels, ein von BP und DuPont gegründetes Joint Venture, behauptet, Liaos Stoffwechselweg verletze ein US-Patent, das der Firma im vergangenen Jahr erteilt wurde. Butamax hat deshalb kürzlich eine Klage gegen Gevo eingereicht.

Auch ökologische Probleme könnten das Clostridium-Projekt verzögern. Im Januar legte die US-Umweltbehörde EPA einen Report über die Umweltfolgen der Biokraftstoff-Produktion vor, der auch Zellulose-basierte Verfahren kritisiert. Wenn Pflanzenreste wie Stängel und Blätter nicht mehr im großen Stil untergepflügt würden, könnte die Erosion von Ackerböden fortschreiten und die ausgewaschene Erde Wasserläufe verschlammen lassen. Umweltaktivisten fürchten wiederum, dass Brachland, das eigentlich zur Förderung der Biodiversität unangetastet bleiben soll, bearbeitet werden könnte, um dort Biomasse herauszuholen.

In seinem zweiten Verfahren gelang es Liao, Gene von E. coli-Bakterien so zu verändern, dass sie Proteine in Isobutanol verwandeln. Dies könnte eine effizientere Alternative zu Biokraftstoffen aus Algen sein. Mehrere Forschungsprojekte arbeiten derzeit daran, von Algen produzierte Fette zu verarbeiten. Fette machen aber nur ein Viertel der Algenmasse aus, während zwei Drittel aus Proteinen bestehen.

Liao schwebt langfristig ein kombiniertes System vor: Zum einen lässt man Algen Proteine produzieren, die an genmodifizierte Kolibakterien verfüttert werden. Zum anderen dienen Abfälle aus der Clostridium-basierten Fermentierung als Rohmaterial. Denn auch sie enthalten zum größten Teil Proteine. „Diese Ergebnisse zeigen, dass sich Proteine für Bioraffinerien eignen“, schreiben Liao und seine Kollegen in Nature Biotechnology.

Solche umfassenderen Bioraffinerien seien aber noch fünf bis zehn Jahre entfernt, fügt Liao einschränkend hinzu. Am Anfang werde erst einmal Zellulose-basiertes Isobutanol produziert. Dass auch Proteine aus Algen unvorhergesehene ökologische Kosten mit sich bringen könnten, sei nicht auszuschließen. „Sie sind aber allemal nachhaltigere Rohstoffe als Öl, Kohle oder Zuckerrohr“, ist sich Liao sicher.


Die Paper:

Higashide, Wendy et al.: „Metabolic Engineering of Clostridium cellulolyticum for Isobutanol Production from Cellulose“, Applied Environmental Microbiology, 4.3.2011 (Abstract).

Huo, Yi-Xin et al.: „Conversion of proteins into biofuels by engineering Nitrogen flux“, Nature Biotechnology, 6.3.2011 (Abstract). (nbo)