|
Bislang war der Einsatz von Pflanzenabfällen zur
Produktion von Bioethanol sehr ineffizient und nicht rentabel genug.
Die bisher zur Ethanolproduktion benutzten Hefen konnten nur einen
begrenzten Anteil der in Pflanzenmaterial verfügbaren Zucker nutzen.
Die Hefen vergären normalerweise nur Hexosezucker wie Glucose, aber
keine Pentosezucker. Diese sind jedoch in größeren Mengen im
pflanzlichen Abfall enthalten. Dieses Problem hat die Arbeitsgruppe
von Prof. Eckhard Boles am Institut für Molekulare Biowissenschaften
der Universität Frankfurt jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern
der Universität Lund in Schweden gelöst. Anders als bei der bisher
üblichen Produktion aus teuren Agrarprodukten wie Getreide,
Zuckerrüben oder Zuckerrohr ermöglicht ihr neues Verfahren die
Umsetzung von pflanzlichen Reststoffen wie landwirtschaftlichen
Abfällen, Stroh oder Hölzern.
Die Forscher bauten in Hefepilze der Gattung
Saccharomyces cerevisiae neues Erbmaterial ein, das es den Hefezellen
erlaubt, Pflanzenbestandteile, die sonst nicht genutzt werden können,
in Bioethanol umzusetzen. Damit ist ein wesentliches Hindernis für
eine ökonomischere Produktion von Bioethanol aus dem Weg geräumt.
Damit die Hefe bestimmte Pentosezucker "verdauen" kann, benötigt sie
Enzyme, die sie von Natur aus nicht besitzt. Allerdings haben
verschiedene Bakterien solche Enzyme, mit denen sie Pentosezucker
umwandeln können. Die Forscher bauten drei der entsprechenden Gene in
das Erbgut der Hefe ein, und tatsächlich produzierte die Hefe die
gewünschten Enzyme. Dennoch war sie nur sehr begrenzt in der Lage, den
Pentosezucker Arabinose zu verwerten.
Deshalb nutzten die Wissenschaftler eine neue
biotechnologische Methode - die "gesteuerte Evolution". Sie boten der
modifizierten Hefe über Monate hinweg ein Nährmedium an, das nur
Arabinose enthielt, und zwangen sie somit zu deren Nutzung. Durch
spontane Mutationen entstanden Hefezellen, die Arabinose sehr viel
effektiver verwerten konnten. Daher wuchsen sie immer schneller und
setzten sich somit letztendlich in der Population durch. Eine
molekulargenetische Analyse des resultierenden neuen Hefestammes
entschlüsselte schließlich die physiologischen Veränderungen, die für
die Vergärung von Arabinose wichtig sind.
Damit die Hefe zusätzlich zur Arabinose auch einen
anderen Pentosezucker, die Xylose, vergären konnte, wurden ihr weitere
Gene aus einer anderen Hefe, Pichia stipitis, eingebaut. Und
tatsächlich konnte damit zum ersten Mal ein Hefestamm konstruiert
werden, der in der Lage ist, Glucose, Xylose und Arabinose und damit
die meisten der in Pflanzenabfällen vorhandenen Zucker zu Ethanol zu
vergären.
Für die derzeitigen Mitarbeiter des Projektes,
Beate Wiedemann und Marco Keller, stehen nun die nächsten
Herausforderungen bevor: ist die neue Hefe robust genug, der harten
industriellen Wirklichkeit zu widerstehen? Wie kann die Ausbeute an
Ethanol weiter gesteigert und die Vergärung beschleunigt werden? Dazu
werden sie wiederum die aufregenden Möglichkeiten der Kombination von
"Genetic Engineering" und "Gesteuerter Evolution" nutzen: die
genetisch veränderten Hefen sollen ein weiteres Mal über viele Monate
hinweg und diesmal unter industriellen Bedingungen gezwungen werden,
die Pentosezucker noch effizienter zu vergären. |
