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Neue Stämme von Treibhausgas-vernichtenden Mikroben erzeugen wertvolle Nebenprodukte

Eine EU-finanzierte Initiative trägt zu einer nachhaltigen Gesellschaft bei, indem Methan als Substrat für die Herstellung von Chemikalien und Bedarfsgüter mit Mehrwert verwendet wird.

Klimawandel und Umwelt
Industrielle Technologien

Die Behandlung flüssiger und fester Abfälle ist einer der Prozesse, die für die Erzeugung von Methan verantwortlich sind, einem Treibhausgas, das derzeit in großen Mengen in die Atmosphäre freigesetzt wird. Das Gas kann jedoch auch als Ausgangsstoff für Mikroorganismen dienen, die als Methanotrophe bezeichnet werden, um nützliche Chemikalien zu produzieren, die Abfall in eine wertvolle Ressource umwandeln und gleichzeitig dazu beitragen, den Treibhauseffekt abzuschwächen. Einige dieser Methanotrophe produzieren sogar von Natur aus wertvolle Chemikalien. Beispielsweise erzeugen Bakterien der Gattung Methylocystis Polyhydroxybutyrat (PHB), einen biologisch abbaubaren Kunststoff, während Methylomicrobium alcaliphilum Ectoin bildet, ein hochwertiges Osmoprotektivum mit einem Marktpreis von über 1 000 EUR pro Kilogramm. Osmoprotektiva sind kleine organische Moleküle mit neutraler Ladung, die selbst bei hohen Konzentrationen nur eine geringe Toxizität aufweisen und Organismen dabei helfen, extremen osmotischen Stress zu überleben. Das EU-finanzierte Projekt CH4BioVal versuchte, die Fähigkeit zweier Arten von Methanotrophen, die Polyhydroxybutyrat und Ectoin produzieren, zu verstehen und zu verbessern. Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.

Verbesserte Leistungsfähigkeit

Damit Methanotrophe als wirtschaftlich nachhaltige Plattformen für die industrielle Biotechnologie genutzt werden können, muss die Leistungsfähigkeit dieser Organismen verbessert werden. Dieses Ziel kann durch eine Erhöhung der Ausbeuten an den wertvollen Verbindungen, die sie auf natürliche Weise produzieren, erreicht werden, indem die genetischen und bioinformatischen Werkzeuge entwickelt werden, die zur Erweiterung des derzeit eingeschränkten Anwendungsbereichs von Produkten, die aus Methan hergestellt werden können, erforderlich sind. Methanotrophe nutzen einzig und allein Methan als Kohlenstoff- und Energiequelle und haben ein großes Potenzial als Plattformen für das Pathwaydesign, eine Methode, bei der sie modifiziert und in „Zellfabriken“ umgewandelt werden. Die Initiative CH4BioVal trug durch die Erstellung von Stoffwechselmodellen im Genommaßstab dazu bei, diesen Ansatz voranzutreiben. „Diese mathematischen Modelle, die auf dem methanotrophen Genom basieren, ermöglichen es der Wissenschaft, Stoffwechselvorgänge und die Produkte, die aus Methan hergestellt werden können, besser zu verstehen“, so Marie-Curie-Forschungsstipendiat Sergio Bordel. Die Forschenden konzentrierten sich auf die Entwicklung von Stoffwechselmodellen im Genommaßstab, damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Verhalten der Zellen unter verschiedenen Bedingungen vorhersagen können. So konnten sie das Ergebnis von Genmanipulationen nach der Zugabe oder Unterdrückung neuer Enzyme und folglich auch die von ihnen katalysierten Stoffwechselreaktionen prognostizieren. „Wir haben die ersten Stoffwechselmodelle im Genommaßstab von Typ-II-Methanotrophen entwickelt und validiert. Die Verfügbarkeit dieser Stoffwechselmodelle wird es uns ermöglichen, mithilfe biologischer Prozesse Chemikalien aus Methan herzustellen“, erklärt Bordel.

Vorhersagbare Ergebnisse

CH4BioVal nutzte die Stoffwechselmodelle im Genommaßstab als Plattformen für das Pathwaydesign. „Diese genetische Manipulation zur Gewinnung von Stämmen, die hochwertige Produkte aus Methan erzeugen, wird es möglich machen, eine neue Bioökonomie aus Treibhausgasen mit ökologischen und wirtschaftlichen Vorteilen für Europa zu schaffen“, kommentiert Bordel. Darüber hinaus werden Forschende, die sich mit Methanotrophen beschäftigen, von CH4BioVal durch ein besseres Verständnis des Stoffwechsels dieser Organismen profitieren, ebenso wie Firmen in der Abfallwirtschaft, die eine neue Wertquelle für sich erschließen können. Die Umwelt wird dabei von den reduzierten Methanemissionen in die Atmosphäre profitieren. Das Projekt wird außerdem eine neue Plattform zur Herstellung von Chemikalien aus einer erneuerbaren Quelle schaffen. Daher wird auch die Gesellschaft als Ganze all diese bedeutenden Vorteile erhalten. „Methan kann tatsächlich viel kostengünstiger genutzt werden, als es nur zur Energiegewinnung zu verbrennen – wir müssen aufhören, Geld zu verbrennen“, so Bordel abschließend.

Schlüsselbegriffe

CH4BioVal, Methan, Methanotrophe, Treibhausgas, PHB, Ectoin, Osmoprotektivum, Pathwaydesign, Polyhydroxybutyrat, Stoffwechselmodell im Genommaßstab

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3 Februar 2021