Bakterien mit genetischen Sensoren

US-Forscher haben neuartige Mikroorganismen für die Biosprit-Produktion entwickelt, die sich an Umweltbedingungen anpassen können.

Wissenschaftler an der University of California, Berkeley, haben neuartige Bakterien für die Treibstoffproduktion entwickelt, die sich über ihre Genexpression verwandeln können, um sich an die aktuellen Bedingungen in ihrem biologischen Reaktor anzupassen. Im Ergebnis sollen die Mikroorganismen bis zu dreimal so viel Biodiesel erzeugen können wie andere fortschrittliche Bakterien. Die Technik könnte die Energieform in einigen Jahren so stark verbilligen, dass sie mit fossilen Treibstoffen adäquat konkurrieren kann, hoffen die Forscher.

Eines der Probleme bei der Biosprit-Produktion ist die Tatsache, dass die verschiedenen biologischen Vorläuferstoffe nicht immer im korrekten Verhältnis zur Verfügung stehen. Jay Keasling, Professor für Chemie- und Biotechnik in Berkeley, hat deshalb mit seinen Kollegen Designer-Bakterien entwickelt, die eine Art biologisches Sensorium haben. Dieses kann Gene regulieren – und zwar anhand der Menge der aufgenommenen Stoffe, die sich in einer einzelnen Zelle befindet.

Die Forscher erweiterten dazu einen genetisch veränderten E. coli-Stamm, der Biodiesel aus zwei biologischen Bausteinen herstellt – Fettsäuren und Ethanol. Im Lebenszyklus dieses Stammes kommt es vor, dass ein Vorläuferstoff auf einem zu hohen Niveau produziert wird. Das führt zu Ineffizienz und kann sogar gefährlich werden. "Es fehlt die genetische Balance", sagt Keasling, "die Zellen verschwenden Ressourcen, indem sie einen der Vorläuferstoffe stärker produzieren". Das destabilisiere die Kultur.

Der neue Mikroorganismus von Keasling und seinem Team nutzt ein natürlich vorkommendes Sensorium, das auf die interne Fettsäuremenge und weiter gebundene Moleküle reagiert und diese Aktivität dann genetisch regulieren kann. Ist nur wenig Fettsäure in der Zelle, wird auch weniger Ethanol produziert und weniger Fettsäure umgesetzt. Ist genügend Fettsäure da, werden diese "Bremsen" wieder gelöst.

Dabei werden zwei wichtige Veränderungen im Bakterienstoffwechsel vorgenommen, wie Keasling sagt. Erstens läuft diese ausgeglichener ab, so dass keiner der Vorläuferstoffe überproduziert wird. Außerdem ist das Gebräu stabiler, weil der Zelle nicht mehr die Möglichkeit genommen wird, weiter zu wachsen. Die Regulierung erhöhte die Menge an Biodiesel auf 28 Prozent des theoretischen Maximums. Das ist die angesprochene Verdreifachung im Vergleich zum alten Stamm.

Obwohl die Produktionsverbesserung signifikant ist, lässt sich noch nicht sagen, wann das Verfahren kommerzialisiert werden kann. "Es gibt viele Probleme, darunter noch ein weiteres Stoffwechselungleichgewicht, das zunächst gelöst werden muss", sagt Keasling. Zudem sind die experimentellen Kulturen noch nicht in der industriellen Produktion mit Millionen Litern getestet worden. (bsc)