Bakterien als Kraftstoffproduzenten

In Zeiten des Klimawandels und knapper werdender Ressourcen wird eine nachhaltige und umweltfreundliche Energiegewinnung immer wichtiger. Bislang sind erneuerbare Biokraftstoffe aufgrund der begrenzten Produktionsmengen jedoch nicht immer wettbewerbsfähig. Mit der Hilfe von Cyanobakterien könnte bald mehr Biokraftstoff ressourcensparend produziert werden.

Biokraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eröffnen enorme Potenziale für eine nachhaltige und umweltschonende Energie- und Kraftstoffversorgung. Bislang können Biokraftstoffe aufgrund hoher Produktionskosten und begrenzter Produktionsmengen jedoch nicht immer mit den noch günstigeren Ölpreisen mithalten. Zudem haben durchwachsene Umwelt- und Sozialbilanzen Kraftstoffe aus Biomasse zu einem Streitthema gemacht. 

Drei Generationen von Biokraftstoffen

Biokraftstoffe aus Mais, Raps, Sonnenblumen oder Soja stehen in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und könnten daher - so die Furcht - die globale Ernährungssituation weiter verschärfen. Die zweite Generation Biokraftstoffe nutzt allein nicht essbare nachwachsende Rohstoffe mit einem hohen Anteil an Cellulose. Hier können ganze Pflanzen sowie biogene Reststoffe und Abfälle verwertet werden (Kaskadennutzung der Biomasse). In einem komplexen Aufschlussverfahren wird die in der Biomasse enthaltene Lignocellulose zu Zucker aufgespalten und daraus hochreines Ethanol hergestellt. Solange jedoch nicht nur Reststoffe verwendet werden, konkurriert der Anbau spezieller Biomasse für die Biokraftstoffproduktion weiterhin mit dem Anbau von Nahrungsmitteln. Als dritte Generation bezeichnet man die Herstellung von Biokraftstoff auf der Basis schnellwachsender Algen-Biomasse. Kraftstoffe der zweiten und dritten Generation erfordern jedoch einen hohen technischen und finanziellen Aufwand und können derzeit noch nicht wirtschaftlich erzeugt werden. 

Cyanobakterien als Kraftstoffproduzenten

Eine vielversprechende Alternative zu bisherigen Rohstoffen der Biokraftstoffproduktion bieten Cyanobakterien. Im Gegensatz zu anderen Bakterienarten können Cyanobakterien Photosynthese betreiben. Mittels Photosynthese produzieren die Bakterien ein Vielfaches des Energieertrags von Pflanzen wie z.B. Mais oder Rutenhirse. Ein weiterer Vorteil der Bakterien: ihr Anbau belegt kein kostbares Ackerland. 

US-amerikanische Wissenschaftler haben die Bakterien nun so genetisch verändert, dass sie in großen Mengen energiereiche Fettsäuren produzieren und diese durch ihre Zellmembran in das Nährmedium abgeben. Die Fettsäuren können quasi abgeschöpft und direkt zur Herstellung von Biokraftstoff verwendet werden. 

Von Selbstmordzellen zu Kraftstoffkühen

Um die Bakterien zu Kraftstoffproduzenten zu machen, mussten die Forscher die Zellen dazu bringen, ihren energiereichen Ballast freizugeben. Zunächst gelang es, die Bakterien genetisch so zu modifizieren, dass sie sich selbst zerstörten und auf diese Weise die Fettsäuren abgaben. Die Zellen millionenfach in den Selbstmord zu treiben, war jedoch nicht das Ziel der Wissenschaftler, die an einer kostengünstigen Alternative interessiert waren. Sie forschten weiter. 

Dann gelang es, das Erbgut der Bakterien so umzubauen, das diese die produzierten Fettsäuren durch die Zellwände abgaben. Um die Diffusion der Fettsäuren durch die Zellmembran zu erreichen, schleusten die Forscher ein Enzym, die sogenannte Thioesterase, in die Bakterien ein. Dieses Enzym ist in der Lage, die Fettsäuren von komplexen Transport-Proteinen abzukoppeln. Die freien Fettsäuren sammeln sich dann solange in der Zelle an bis die Konzentration ausreicht, um durch die Zellmembran zu diffundieren. 

In einem zweiten Schritt wurden die Gene, die für zwei wichtige Schichten in der Zellmembran verantwortlich sind, so verändert bzw. abgeschaltet, dass die Fettsäuren einfacher durch die Zellmembran diffundieren können. Aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit flocken der Fettsäuren außerhalb der Zelle aus und bilden weißliche Rückstände auf der Oberfläche der Nährlösung. Untersuchungen konnten zeigen, dass die Veränderung der beiden Membranschichten zu einer dreimal besseren Fettsäureausbeute führte. 

Um die Fettsäureproduktion der Cyanobakterien noch weiter zu optimieren, schleusten die Forscher Gene in das bakterielle Erbgut, die eine Überproduktion von Fettsäuren auslösen. Zudem entfernten sie einige zelluläre Signalwege, die für das Überleben der Zellen nicht zwingend notwendig sind. Damit wollten die Wissenschaftler sicherstellen, dass die Bakterien sich nur noch der Lebenserhaltung und der Fettproduktion widmen. 

Aussichtsreiche Ergebnisse

In nur 6 Monaten Forschung gelang es den Wissenschaftlern, die ersten modifizierten Stämme zu produzieren. Ausschlaggebend für diese schnellen Fortschritte war nicht zuletzt die Übertragung bereits vorhandenen Wissens über Genmanipulationen und Enzymaktivitäten bei anderen Bakterien und Pflanzen auf die Cyanobakterien. Zudem gelang es, durch die Einführung neu entdeckter Modifikationen die Fettsäureproduktion und –abgabe der Cyanobakterien weiter zu erhöhen.

Derzeit arbeiten die Wissenschaftler an einer weiteren Optimierung der Bakterienstämme. Ihr Ziel ist es, die Produktivität der Bakterien weiter zu steigern und die Wachstumsbedingungen so zu optimieren, dass eine Übertragung vom Labor auf die Großanlage möglich wird. Die Forschung legt den Grundstein für eine praktische Nutzung dieser nachhaltigen Energieressource.