Rekonstruktion mikrobieller Genome aus der Umwelt
Mikrobengemeinschaften finden sich überall, von der Umwelt bis zu unserem eigenen Körper. Die Mikrobiome von Mensch und Umwelt sind vielfältig und spielen eine Reihe von Schlüsselrollen für die menschliche Gesundheit und das Funktionieren gesunder Ökosysteme. Dank der jüngsten Entwicklung der Metagenomik, einer effizienten und kostengünstigen DNA-Sequenzierungstechnologie, hat sich unser Wissen über diese Gemeinschaften in den letzten Jahren erheblich erweitert. Das Tempo der Mikrobiomforschung hat sich in der Tat beschleunigt (mehr dazu in dieser aktuellen Folge des CORDIScovery-Podcasts Die wunderbare Welt des Darmmikrobioms). Metagenom-assemblierte Genome (MAG), die mit Hilfe dieser Techniken rekonstruiert werden, sind äußerst wertvoll für unser Verständnis der verschiedenen ökologischen Nischen von Mikroben, die eine breite Palette von Anwendungen in der Biotechnologie, der Medizin und sogar der Klimawissenschaft haben könnten. Die Qualität der rekonstruierten MAG beruht jedoch auf einer Technik, die als Binning bekannt ist und bei der Gruppen von Nukleotidsequenzen aus einem Organismus in Bins eingeteilt werden, je nachdem, wie häufig sie in verschiedenen Proben vorkommen. Wenn es nicht viele Proben eines bestimmten Organismus gibt, so wird die Gruppierung schwieriger und die Rekonstruktion ist schlecht. Im Rahmen des EU finanzierten Metagenome binning-Projekts, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) durchgeführt wurde, wollten die Forschenden diese Herausforderungen angehen, indem sie einen neuen Algorithmus zur Verbesserung des Binning in Situationen entwickelten, in denen nur wenige Proben zur Verfügung stehen. Die Arbeit soll der Wissenschaft helfen, ein besseres Verständnis des menschlichen und des Umweltmikrobioms zu erlangen. „Ein verbessertes Binning führt zu einer besseren Rekonstruktion hochwertiger mikrobieller Genome aus Umweltproben, zum Beispiel aus dem menschlichen Darm“, sagt Yazhini Arangasamy(öffnet in neuem Fenster), Marie-Curie-Postdoktorand am Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Wissenschaften(öffnet in neuem Fenster).
Rohstoffe für saubereren Kraftstoff
Heute wird SAF größtenteils durch das HEFA-Verfahren (Hydrierung von Estern und Fettsäuren) hergestellt – ein Veredelungsverfahen, bei dem pflanzliche Öle, Speiseölreste, tierische Fette oder andere lipidreiche Abfälle in einen Kraftstoff umgewandelt werden, der chemisch nahezu identisch zu herkömmlichem Flugzeugkerosin ist. Der Nachteil besteht darin, dass Altöle nur begrenzt verfügbar sind, mit hohen Kosten einhergehen und oftmals importiert werden, da mehr als die Hälfte davon aus China und Malaysia stammt. Das EU-finanzierte GAFT-Projekt, das durch den Europäischen Innovationsrat unterstützt wird, hat eine völlig andere Methode zur Herstellung von Rohstoffen für Flugkraftstoffe unter Verwendung von CO2, Wasser und erneuerbarem Strom entwickelt. Marien de Jonge fungiert als wissenschaftlicher Hauptreferent und ist eine der Mitbegründer des gleichnamigen niederländischen Unternehmens GAFT, das diese Forschung anleitet. Er erklärt, dass das Ziel des Projekts darin bestand, „neue Wege zur Herstellung von Biokraftstoffen und E-Fuels zu entwickeln, die für die SAF-Herstellung verwendet werden können, vor allem durch örtlich anfallende langkettige Lipide, die als Rohstoff für das HEFA-Verfahren geeignet sind.“ Statt auf gebrauchtes Speiseöl zurückzugreifen, wird der saubere mikrobielle Lipidrohstoff von GAFT durch ein einzigartiges Verfahren hergestellt, das Elektrochemie und Fermentation kombiniert.
Ein neues biologisches und elektrochemisches SAF-Verfahren
Infolge eines patentierten Verfahrens für die Herstellung von Kaliumformiat mittels CO2, Wasser und Strom wird das Kaliumformiat in Ameisensäure umgewandelt. Gleichzeitig wird ein GVO-freier Mikroorganismus, der verschiedene Rohstoffe fermentieren kann, zur Herstellung von Lipiden, einschließlich Triglyceriden, verwendet, die wichtige Vorprodukte für Flugkraftstoffe sind. „Die Gesamtheit dieser Technologien hilft dabei, einen Weg für die Umwandlung von erneuerbarem Strom und abgeschiedenem CO2 in die wesentlichen Bausteine für nachhaltigen Flugkraftstoff zu ebnen“, sagte de Jonge.
Hin zu einer skalierbaren Kraftstoffproduktion vor Ort
Einer der Hauptvorteile des GAFT-Konzepts ist die Möglichkeit, importierte Altöle durch örtlich anfallende, erneuerbare Rohstoffe zu ersetzen. De Jonge betont, dass dies die Tür zu einer „skalierbareren und inländischen SAF-Lieferkette“ öffnet und die Industrie dabei unterstützt, ihre Abhängigkeit von begrenzt verfügbaren HEFA-Einsatzstoffen zu überwinden. Bei dem Verfahren entsteht außerdem ein wertvolles Nebenerzeugnis. Die verbleibende Biomasse ist ein proteinreiches Material, das als Bestandteil für Fischfutter verwendet werden kann, und somit eine wertvolle und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Futtermitteln auf Fischmehl- oder Sojabasis darstellt.
Ein Blick in die Zukunft
Die Skalierung ebenso wie die Sicherung von Investitionen bleiben die größte Herausforderung. Die Verhandlungen sind jedoch im Gange und das langfristige Ziel ist klar abgesteckt. „GAFT zielt darauf ab, eine vollständig skalierbare, kreislauffähige und nachhaltige SAF-Lieferkette zu etablieren, die sich auf örtlich anfallende mikrobielle Lipide und erneuerbaren Strom stützt, anstatt auf begrenzt verfügbare, importierte Rohstoffe wie Speiseölreste“, erklärte de Jonge. Im Erfolgsfall könnte die Technologie zu einer Ausweitung der SAF-Produktion, zu einer Reduzierung der Emissionen und zu weniger Abhängigkeit der Luftfahrt von fossilen Brennstoffen führen. Und obwohl der Weg in die Zukunft technische, investitionsbezogene und regulatorische Herausforderungen mit sich bringt, ist das GAFT-Team davon überzeugt, dass sein Modell den Weg zu einer widerstandsfähigeren Zukunft für die Flugkraftstoffproduktion weisen wird.
