Bakterien für die Propanproduktion
Die Erzeugung von wasserphotosynthetischen Organismen, um große Mengen an Kraftstoffen für Motoren zu produzieren, stellt eine aufregende Möglichkeit dar. Es würde die kostengünstige und emissionsarme Produktion von Motorkraftstoffen in einem Prozess ermöglichen, der nicht in Konflikt mit der landwirtschaftlichen Bodennutzung für Nahrungsmittel stehen würde. EU-finanzierte Wissenschaftler ebneten den Weg für die Realisierung dieses Potenzials im kommerziellen Maßstab im Rahmen des Projekts DIRECTFUEL (Direct biological conversion of solar energy to volatile hydrocarbon fuels by engineered cyanobacteria). Das Team konzentrierte sich auf die Entwicklung eines biosynthetischen Herstellungsverfahrens für Propan, einem kurzkettigen Alkan, mit Cyanobakterien. Diese Organismen produzieren solche Moleküle nicht natürlich, aber Prognosen deuten darauf hin, dass wirtschaftlich realisierbare Strategien innerhalb von 10 bis 20 Jahre zur Verfügung stehen könnten. Durch Nutzung einer Kombination von Enzymentdeckung, Charakterisierung auf molekularer Ebene und metabolischem Engineering zeigte DIRECTFUEL zum ersten Mal, dass die mikrobielle Biosynthese von Propan auf einer Plattform von Escherichia coli möglich ist. E. coli ist ein verbreitetes Darmbakterium, das gut charakterisiert ist und als Modellorganismus weithin verwendet wird. Es hat eine einfache aber konservierte Struktur, wächst schnell und ist leicht im Labor zu manipulieren. Die Fähigkeit, diese Plattform für die Produktion von Propan für den Verkehr zu nutzen wird von großer Bedeutung für die Energielandschaft und den Klimawandel sein. DIRECTFUEL entwickelte und charakterisierte die aufeinanderfolgenden enzymkatalysierten Biosyntheseschritte, mit denen natürliche Zwischenprodukte auf Kohlenstoffbasis aus der Photosynthese in das Zielprodukt Propan umgewandelt werden. Große Aufmerksamkeit erhielt der kritische letzte Schritt, bei dem das Alkan-Produkt gebildet wird. Die Forscher modifizierten erfolgreich das Gen, das das katalytische Enzym dieses Schritts kodiert, um verfügbare Substrate besser nutzen zu können. Neben der Untersuchung der Wirkungen des neuen Biosynthesewegs auf primären Stoffwechsel, Wachstum und die Lebensfähigkeit von E. coli wurden auch Modelle des cyanobakteriellen Stoffwechsels entwickelt. Ein neuartiges Protokoll ermöglicht zum ersten Mal das genomweite Screening von bedingt essentiellen Genen. Schließlich wurden neuartige Photobioreaktorsysteme entwickelt, um flüchtige Zielprodukte zu produzieren und zu quantifizieren, was den ersten Schritt in Richtung hochskalierter industrieller Prozesse darstellt. Durch DIRECTFUEL entwickelte experimentelle und theoretische Werkzeuge werden für weitere Forschungsanstrengungen von unschätzbarem Wert sein und somit einen wichtigen Beitrag zum Ersatz der petrochemischen Raffination durch die photobiologische Herstellung von Propan in industriellem Maßstab leisten.
Schlüsselbegriffe
Bakterien, Propan, Photosynthese, Kraftstoffe, Biosynthese, Enzym
