Eisenatome auf Zellmembran steigern Produktion von Bioplastik

Das Bakterium Cupriavidus necator kann Kohlendioxid als Rohstoff nutzen und daraus den Biokunststoff Polyhydroxybutyrat (PHB) herstellen. Forschende aus China haben nun einen Ansatz untersucht, der diesen biologischen Produktionsprozess effizienter machen könnte. Einzelne Eisenatome auf der Oberfläche der Bakterienzellen erleichtern die Nutzung von Wasserstoff und führten im Labor zu einer etwa doppelt so hohen PHB-Produktion.

Cupriavidus necator nutzt CO₂ als Kohlenstoffquelle

Dass Cupriavidus necator Kohlendioxid und Wasserstoff zur Herstellung von PHB verwenden kann, ist bereits bekannt. Während CO₂ als Kohlenstoffquelle dient, liefert Wasserstoff die notwendige Energie für den Stoffwechsel.

Dabei gibt es jedoch eine technische Hürde: Wasserstoff löst sich nur begrenzt in der Nährlösung und gelangt deshalb nicht ohne Weiteres in ausreichender Menge zu den Bakterien. Zusätzlich müssen bakterielle Enzyme den Wasserstoff zunächst in eine nutzbare Form überführen. Dieser Vorgang ist vergleichsweise langsam und kann die Produktionsleistung begrenzen.

Ein Forschungsteam der Zhejiang-Universität und weiterer chinesischer Forschungseinrichtungen setzte deshalb direkt an der Oberfläche von C. necator an.

Eisenatome erleichtern die Nutzung von Wasserstoff

Für die Versuche wurden die Bakterien unter kontrollierten Laborbedingungen in einer Nährlösung kultiviert. Anschließend befestigten die Forschenden winzige poröse Kohlenstoffpartikel an der Oberfläche der Zellen. In diesen Partikeln befinden sich einzelne Eisenatome.

Wasserstoff lässt sich leichter aufspalten

Die Eisenatome können die Bindung zwischen den beiden Atomen eines Wasserstoffmoleküls schwächen. Dadurch lässt sich das Molekül leichter aufspalten.

Damit unterstützen die Eisenatome einen Schritt, der normalerweise von den Enzymen der Bakterien übernommen werden muss. Die Energiequelle steht dem Mikroorganismus dadurch leichter für seine Stoffwechselprozesse zur Verfügung.

Die mit den Eisenatomen ausgestatteten Bakterien produzierten unter den untersuchten Bedingungen ungefähr ein Gramm PHB pro Liter Nährlösung. Das entsprach etwa der doppelten Menge der Kontrollbakterien ohne entsprechende Veränderung der Zelloberfläche.

Direkter Kontakt mit der Zelloberfläche verstärkt den Effekt

Auch die Position der eisenhaltigen Kohlenstoffpartikel erwies sich als wichtig. Wurden die Partikel lediglich frei in die Nährlösung gegeben, stieg die PHB-Produktion von 529 auf 849 Milligramm pro Liter.

Waren die Partikel dagegen direkt an der Zelloberfläche befestigt, erhöhte sich die Ausbeute auf 1.059 Milligramm pro Liter.

Die Ergebnisse zeigen damit, dass die Partikel bereits frei in der Nährlösung einen messbaren Effekt haben. Die unmittelbare Nähe zur Zellmembran verstärkt ihre Wirkung jedoch deutlich.

Zellmembran wird zum neuen Ansatz für die Bioplastik-Produktion

Der untersuchte Ansatz unterscheidet sich von vielen bisherigen Strategien in der Biotechnologie. Statt den Mikroorganismus selbst zu verändern oder ausschließlich die Zusammensetzung der Nährlösung und die Versuchsbedingungen zu optimieren, konzentrieren sich die Forschenden gezielt auf die Zelloberfläche.

Dort verbessern die Eisenatome die Verwertung des Wasserstoffs und erhöhen damit die Produktionsleistung des Bakteriums.

Die Ergebnisse zeigen zugleich, dass bei biotechnologischen Verfahren mit CO₂ und Wasserstoff nicht allein entscheidend ist, welche Ausgangsstoffe vorhanden sind. Ebenso wichtig ist, wie effizient die Zellen diese Stoffe tatsächlich für ihren Stoffwechsel nutzen können.

Die unmittelbare Umgebung einer Bakterienzelle könnte deshalb zu einem zusätzlichen Stellhebel für biotechnologische Produktionsverfahren werden. Nach Einschätzung der Forschenden könnte das Prinzip grundsätzlich auch auf andere Prozesse übertragen werden.

Industrielle Nutzung muss noch untersucht werden

Bislang wurde das Verfahren ausschließlich unter Laborbedingungen getestet. Ob sich die höhere PHB-Ausbeute auch in größeren Bioreaktoren und schließlich im industriellen Maßstab erreichen lässt, ist noch offen.

Ebenfalls nicht vollständig geklärt ist, auf welchem Weg die aufgespaltenen Wasserstoffbestandteile von der Zelloberfläche in den Stoffwechsel der Bakterien gelangen.

Dennoch zeigt die Untersuchung einen neuen Ansatz für die Herstellung von Biokunststoffen. Sollte sich das Verfahren erfolgreich skalieren lassen, könnte die gezielte Veränderung der Zelloberfläche künftig dazu beitragen, CO₂-basierte biotechnologische Produktionsprozesse effizienter zu gestalten.

Jonas Fischer

Jonas Fischer ist Autor bei bna-germany.com und berichtet über aktuelle Entwicklungen aus Deutschland und der Welt. Sein Fokus liegt auf klar verständlicher Berichterstattung zu Politik, Wirtschaft, Technologie, Sport, Unterhaltung und Gesellschaft. Er legt Wert auf gut recherchierte, leicht zugängliche Informationen, die für Leserinnen und Leser im Alltag relevant sind. Ziel seiner Beiträge ist es, komplexe Themen verständlich aufzubereiten und aktuelle Ereignisse sachlich und nachvollziehbar einzuordnen. Er schreibt objektiv und unabhängig.