Termitendärme und Ethanol-Effizienz

Eine breit angelegte Untersuchung der Mikroorganismen, die im Darm von Termiten leben, hat fast 1000 Enzyme offengelegt, die Holz zersetzen können. Diese zelluloseverdauenden Proteine ermöglichen erstmals einen detaillierten Einblick in die berüchtigte Fähigkeit von Termiten, das zähe Ausgangsmaterial als Hauptnahrung zu verwenden. Versteht man diese Prozesse, ließen sie sich nutzen, um günstigere und effizientere Methoden zur Erzeugung von Ethanol aus stark zellulosehaltiger Biomasse zu entwickeln: "Das Problem bei der Herstellung ist stets, die Stoffwechsel-Zwischenprodukte aus Materialien wie Holz zu erhalten – und genau das haben die Termiten gelöst", sagt Frances Arnold, Forscher am Caltech in Pasadena, der die Studie kennt. "Diese Untersuchung bietet uns eine wahre Informationsexplosion zu den Genen, die bei den Termiten in der Holzzersetzung eine Rolle spielen."

Zellulose ist ein faseriges komplexes Kohlehydrat, das die Zellwände der Pflanzen bildet. Biotreibstoffe aus zellulosehaltiger Biomasse, darunter Maisstängel, Holzchips, Dauergräser und bislang nicht verwendete Pflanzen wie Switchgrass, könnten eine Alternative zum Ethanol aus Maiskörnern sein, dessen Produktion enorme Energiemengen verschlingt. Doch das Abbauen der Zellulose in Einfachzucker, die dann zu Ethanol fermentiert werden könnten, ist noch immer ein komplexer, ineffizienter und teurer Prozess. Forscher suchen seit Längerem nach neuen Enzymen, die das deutlich schneller und problemloser ermöglichen als aktuelle thermochemische Prozesse.

In der neuen Studie sammelten der Caltech-Mikrobiologe Jared Leadbetter und seine Kollegen Tiere der Termitenart "Nasutitermes" aus Costa Rica und isolierten die DNA der Mikroorganismen, die in einem Teil ihres Verdauungstraktes leben. Schon früher hatten Forscher die Theorie aufgestellt, dass die Holzverdauung der Insekten vor allem dank der Mikroorganismen im Darm möglich ist. Mit einem Metagenomik-Ansatz sequenzierten und analysierten die Forscher nun das Genmaterial von vielen Arten dieser Bakterien – und suchten nach bestimmten Sequenzen, von denen aus früheren Studien bekannt war, dass sie mit dem Abbau von Zellulose in Verbindung stehen. Dabei wurden fast 1000 Kandidaten-Gene für Glycohydrolasen gefunden – Enzyme, die komplexe Pflanzen-Kohlenhydrate zerlegen.

Leadbetter und andere Forscher nutzen nun die Ergebnisse, um herauszufinden, wie Termiten, die nahezu alle Nährstoffe aus Holz beziehen, das Material so effizient verdauen können. "Die Tiere wandeln Holz seit 200 Millionen Jahren zu ihrem eigenen Biotreibstoff um", sagt Leadbetter, "wie wird das Holz genau heruntergebrochen?". Man müsse das System besser verstehen, um dann die besten Komponenten entnehmen zu können.

Der nächste Schritt: Die Forscher wollen herausfinden, was die verschiedenen Enzyme konkret bewirken. "Die Funktionsanalyse ist wirklich wichtig", sagt Arnold. "Sind das bessere Cellulasen als die, die wir schon haben? Sind das Wirkmischungen, die nützlich sein könnten?" Eine der Haupthürden bei der effizienten Zersetzung von Holz liegt darin, an die feste Zellulosematrix zu gelangen, wozu normalerweise gleich mehrere Enzyme notwendig sind.

Das Termiten-Projekt ist eine Kooperation von Caltech, dem "Joint Genome Institute" des US-Energieministeriums und der US-Enzym- und Biotreibstofffirma Verenium. Diese testet derzeit die Holzabbau-Fähigkeit der frisch identifizierten Mikroorganismus-Enzyme, außerdem werden Kombinationen ausprobiert, die in Synergie arbeiten. Geoff Hazlewood, Forschungsmanager der Firma, berichtet, dass einige der entdeckten Termitendarm-Gene Enzyme enthalten sollen, die aus einer Klasse besonders leistungsstarker Holzzersetzer stammen. Außerdem wurden diverse Ergänzungswirkstoffe entdeckt, die für den Verdauungsprozess wichtig sind.

Der Termitendarm dürfte noch eine weitere Genausbeute enthalten: Die Forscher fanden 34 Gengruppen mit unbekannter Funktion, darunter eine spezifische Sequenz, die schon in einem Dutzend anderer zelluloseverdauender Bakterien identifiziert wurde. "Vielleicht haben wir die größte Überraschung noch gar nicht entdeckt", sagt Arnold. (bsc)