Vom Rindermagen zum Biosprit

Noch sind Enzyme, die Zellulose zur wirtschaftlichen Herstellung von Biosprit effizient aufspalten können, Mangelware. Doch kürzlich wurden Wissenschaftler im Rindermagen fündig.

Da Biotreibstoff bisher vorwiegend aus wertvollen Nahrungspflanzen hergestellt wird, stehen sie in Konkurrenz zur Nahrungsproduktion und damit in der öffentlichen Kritik. Die Forschung ist daher intensiv auf der Suche nach klimaschonenden Alternativen. Vor allem die Herstellung von Biosprit aus Pflanzenabfällen wird stark vorangetrieben, da auf diese Weise Kulturpflanzen besonders effektiv genutzt werden können und keine zusätzlichen Ackerflächen benötigt werden, die dem Anbau von Nahrungspflanzen fehlen würden.

Um die Biomasse aus Pflanzenabfällen nutzen zu können, müssen die langkettigen Polysaccharide Zellulose und Lignin mithilfe synthetischer Enzyme in Zuckermoleküle aufgespalten werden, die anschließend von gentechnisch veränderten Mikroorganismen zu Ethanol verstoffwechselt werden. Zellulose und Lignin finden sich vor allem in den Pflanzenstängeln und können bis zu 80 Prozent der Pflanzenmasse ausmachen.

Allerdings sind die synthetischen Enzyme, die für diesen Vorgang momentan zur Verfügung stehen noch sehr teuer. Die Kosten müssten sich nach Angaben von Fachleuten mindestens halbieren, im Idealfall auf ein Fünftel reduzieren, um die Methode wirtschaftlich etablieren zu können. Zudem müsste für eine effektivere Produktion die Aktivität dieser Enzyme verbessert werden. Die Hoffnung ruht nun auf der Isolierung von in der Natur vorhandener Enzyme, die für den Abbau der langkettigen Polysaccharide zuständig sind.

Verdauungssysteme von Pflanzenfressern enthalten die richtigen Enzyme

Ein amerikanisches Forscherteam hat daher zunächst Termiten untersucht, in deren Verdauungssystem Holzreste mithilfe von sogenannten Zellulasen (Enzyme, die Zellulose abbauen) zu Zuckermolekülen gespalten werden. Doch der Verdauungstrakt der Insekten ist zu klein, um eine ausreichende Anzahl von Bakterien als Grundlage für die Forschung am Genmaterial zu erhalten.

Der Pansen von Rindern fasst dagegen 150 Liter Pflanzennahrung und enthält daher eine große Menge von Bakterien im Verdauungssystem. Um Bakterien aus dem Pansen isolieren zu können, die an zuvor definiertem Pflanzenmaterial hängen, haben die Forscher den Rindern einen künstlichen Zugang von der Haut in einer Flanke bis zum Pansen gelegt. Über diese Fistel gaben sie mehrere Nylonsäckchen, die ausschließlich mit Rutenhirse (Panicum virgatum) gefüllt waren, direkt in den Pansen und entnahmen die Reste nach 48 Stunden wieder. Rutenhirse wurde gewählt, da sie als vielversprechende Energiepflanze in den USA gilt.

Zelluloseabbauende Enzyme identifiziert

Auf diese Weise erhielten die Wissenschaftler eine große Zahl an Bakterien, die an der Verdauung des Grases beteiligt sind. Da sich die überwiegende Zahl der Bakterien im Labor nicht kultivieren lässt, mussten die Forscher die für den Zelluloseabbau verantwortlichen Gene aus dem so gewonnenen Material isolieren. Sie sequenzierten und analysierten 268 Milliarden Basenpaare des gesamten Metagenoms. Anschließend wurden die Daten mit Hilfe von Hochleistungsrechnern mit den Gensequenzen von Enzymen verglichen, die Kohlenwasserstoffe zerlegen können. Von den 28.000 so identifizierten Genen isolierten die Forscher 90 mögliche Proteine. Eingebaut in Laborbakterien zeigten sich 57 Prozent dieser Proteine enzymatisch aktiv  während des Abbaus von Zellulose.

Die Ergebnisse können zunächst als ausführliche Datenbank für weitere Forschungsprojekte zur Entwicklung effizienter Enzyme dienen, die Pflanzenreste zukünftig hocheffizient in Biosprit verwandeln sollen.