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Technisch veränderte Mikroalgen sorgen für umweltfreundlichere Biomasse- und Biokraftstoffproduktion

Die Mikroalgen-Biotechnologie steckt noch in den Kinderschuhen, aber eine EU-finanzierte Initiative konnte merkliche Fortschritte bei der technischen Veränderung von Algenstämmen zum Einsatz in Hochleistungs-Photobioreaktoren erzielen.
Technisch veränderte Mikroalgen sorgen für umweltfreundlichere Biomasse- und Biokraftstoffproduktion
Ziel des Projekts 'Towards a better sunlight to biomass conversion efficiency in microalgae' (SUNBIOPATH) war es, den Biomasseertrag zweier Arten grüner Mikroalgen, Chlamydomonas reinhardtii und Dunaliella Salina, zu verbessern. Die Forscher untersuchten die Photochemie und den Sonnenlichtsammelprozess in den Lichtsammelkomplexen (light-harvesting complex, Lhc), die in den Chloroplasten dieser Algen vorhanden sind. Auch die biochemischen Wege und Signalmechanismen, welche die ATP-Synthese in den Algenzellen beeinflussen, wurden untersucht.

Man verfolgte einen hochskalierten Ansatz, um das optimale Wachstum und die Effizienz der Photokonversion ausgewählter Mikroalgenstammutanten in Photobioreaktoren verschiedener Größen (bis zu 250 Liter) zu bewerten. Einige der für die Bewertung der Leistung herangezogenen Parameter waren die Biomethanerzeugung, die reduzierte Kohlendioxidemission (CO2) und die Biomasseerträge.

Die Projektpartner bauten ein Mikrospektralphotometer mit computergestützter Erkennung photosynthetischer Mutanten auf. Mit diesem screente man über 10 000 Transformanten, d. h. Zellen, die Gene aus eingeführter DNA exprimieren können. Von vier relevanten isolierten Mutanten beeinflusste eine die das PTOX2-Gen kodierende Plastochinol-Oxidase, ein die photosynthetische Leistungsfähigkeit beeinflussendes Enzym. Die anderen drei Mutanten hatten Auswirkungen auf die Lichtsammelantennen. Deren Analyse ergab, dass veränderte Zellen mit kleineren Lichtsammelantennen einen tieferen Lichteinfall in die Schichten der Photobioreaktoren ermöglichen könnten, wodurch die photosynthetische Effizienz ansteigt. Um diese Vorteile auszunutzen, wurde ein Wellenoberflächenreaktor entwickelt, der das Wachstum der Mutanten mit reduzierten Antennen maximiert.

In den Antennen wurde das Lhc-Protein, das Pigmente wie Chlorophyll und Karotinoide bindet, charakterisiert und es wurden zwei deren Expression steuernde Faktoren (Nab1 und Cas-Protein) untersucht. Diese Erkenntnisse gewähren neue Einblicke in die Regulation der Lichtreaktion der Mikroalgen C. reinhardtii. Die Projektpartner ermittelten außerdem sechs geschwindigkeitsbegrenzende Enzyme für die CO2-Fixierung während der Photosynthese in den Chloroplasten. Mit dem Ziel der verstärkten CO2-Fixierung wurde ein Vektor zur direkten Expression eines dieser Enzyme entwickelt.

Das SUNBIOPATH-Projekt wird dank der gentechnischen Veränderung von Chloroplasten und der Biomethanerzeugung dazu beitragen, neue Lösungen für die sinnvolle Verwertung von Mikroalgenbiomasse zu finden. Überdies wird mit der Entwicklung der Biokraftstoffe aus Mikroalgen zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zur Senkung der Treibhausgasemissionen beigetragen.

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