Kohlendioxid als Rohstoff

Urtümliche Bakterien können CO2 in 3-Hydroxypropansäure. einen begehrten chemischen Grundbaustein, verwandeln. Erste Hürden auf diesem Weg haben Frankfurter Mikrobiologen im europäischen Forschungsprojekt „CO2Chem – Biologische Konversion von CO2 zur Plattform-Chemikalie 3-Hydroxypropansäure“ genommen, schreibt Björn Lohmann im Portal bioökonomie.de, einer Initative des BMBF . Bis 2020 sollte Deutschland eigentlich die Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 um 40 Prozent senken, was aber inzwischen nicht nur das Umweltbundesamt für nicht mehr erreichbar hält. Um dennoch bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen, muss ein weiterer Ansatz relevant werden: CCU – Carbon Storage and Utilization (Kohlendioxid-Abscheidung, Speicherung und Wiederverwendung – so wie gestern in Duisburg das Technikum des Projekts Carbon2Chem eingeweiht wurde).

In der organischen Chemie sind zahlreiche Reaktionen bekannt, wie Kohlendioxid zu chemischen Grundprodukten verbaut werden könnte, die sonst meist aus der Petroindustrie stammen. Weil diese Reaktionen jedoch erhebliche Mengen Energie benötigen, gilt dieser Ansatz weithin als ökonomisch wie ökologisch uninteressant. Es gibt jedoch jemanden, der seit Millionen von Jahren davon lebt, Kohlendioxid in höherwertige Verbindungen zu verwandeln: bestimmte Bakterienarten. Dank ihrer perfekt adaptierten Enzyme gelingt es den Mikroorganismen, chemische Reaktionen mit einer Effizienz umzusetzen, die auf herkömmliche Weise unerreichbar ist. Die Biotechnologie macht sich diese Eigenschaften zunutze und versucht, Bakterien als Chemiefabriken zu verwenden.

Urtümliches Bakterium als Chemiefabrik

Hier setzt das europäische Forschungsprojekt CO2Chem an. Es sol einen Weg realisieren, um aus Kohlendioxid mit biotechnologischen Mitteln 3-Hydroxypropansäure zu produzieren – eines der von der Industrie dringlich gewünschten Verfahren. An dem internationalen Projekt mit Partnern aus Großbritannien, Dänemark und Deutschland ist auch die Arbeitsgruppe um Volker Müller von der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt. Sie arbeitet seit vielen Jahren mit dem Bakterium Acetobacterium woodii. Es zählt zu den acetogenen Bakterien, die sich von Wasserstoff, Stickstoff und eben Kohlendioxid ernähren können. Sogar das für viele Lebewesen giftige Kohlenmonoxid verwertet A. woodii – ein Hinweis auf Stoffwechselwege, die wahrscheinlich aus der Frühzeit irdischen Lebens stammen.

Professor Volker Müller überträgt eine Bakterienlösung aus einer Inkubationsflasche unter Luftanschluss mit Hilfe von Einwegspritzen – Foto © Universität Frankfurt
Beschreibung von CO2Chem auf era-ib.net/co2chem: Der aktuelle Energie- und Chemikalienbedarf wird durch die Gewinnung und Verarbeitung fossiler Brennstoffe gedeckt. Diese Ressourcen sind endlich und ihre Nutzung verursacht Umweltverschmutzung und Treibhausgasemissionen. Die Herausforderung für die Menschheit besteht daher darin, neue, nachhaltige und sauberere Prozesse zur Chemie- und Energieerzeugung zu identifizieren. Biologische Verfahren sind vielversprechende Optionen, aber Strategien setzen bisher auf den Einsatz von Mikroben, um die leicht zugänglichen Kohlenhydrate (Zucker und Stärke) von Pflanzen (wie Zuckerrohr oder Mais) durch Fermentation in Chemikalien und Kraftstoffe umzuwandeln. Dies hat zu Bedenken hinsichtlich des Wettbewerbs mit der Verwendung dieser Kohlenhydrate als Lebensmittel geführt, und zu einer Neuausrichtung der Bemühungen auf Non-Food, pflanzliches Zellwandmaterial (Lignocellulose). Lignocellulose ist jedoch extrem widerstandsfähig gegen den Abbau in den für die Fermentation benötigten Zucker. Diese Widerspenstigkeit kosteneffizient zu überwinden, stellt eine große Herausforderung dar.
Es gibt jedoch eine interessante und kostengünstige Alternative, indem die Fähigkeit bestimmter Bakterien genutzt wird, einzelne Kohlenstoff-Treibhausgase wie CO2 zu “essen”. Das Gas wird dazu in das flüssige Medium von Gärungsbehältern eingespritzt, wo es von den Bakterien in die erwünschten Chemikalien umgewandelt wird. Glücklicherweise sind solche Gase reichlich vorhanden und können aus Nicht-Lebensmittelquellen wie Abgasen aus der Industrie sowie Synthesegas aus der Vergasung (Erwärmung) von Non-Food-Biomasse und Haushalts- oder Agrarabfällen gewonnen werden. Im Projekt CO2Chem wird diese Technologie genutzt, um die Plattform zur chemischen Hydroxypropionsäure zu machen. Es findet eine Vielzahl von Anwendungen, darunter die Herstellung von Kunststoffen, Beschichtungen, Klebstoffen, Fußbodenpolituren und Farben. Durch die Nutzung von Non-Food, Abgas als Rohstoff wird der Wettbewerb mit Nahrungsmitteln und Bodenressourcen vermieden und gleichzeitig durch eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen Vorteile für Umwelt und Gesellschaft geschaffen.

„Es war lange vollkommen unklar, wie diese Bakterien damit ihre Biomasse aufbauen“, erläutert Müller. Er selbst hat dazu beigetragen, anhand eines Modellorganismus‘ zu zeigen, wie aus diesen Rohstoffen die Umsetzung zu Essigsäure erfolgt. Vor rund zehn Jahren folgte dann die Frage, ob sich Bakterien, die Kohlendioxid als Substrat verwenden, biotechnologisch nutzen lassen. „In Deutschland arbeiten daran nur wenige Gruppe, weil man die Mikroorganismen in einem anoxischen, mit Stickstoff gefüllten speziellen Zelt halten muss. Sauerstoff wäre für die Bakterien tödlich“, begründet Müller. „Das ist nicht einfach zu handhaben.“

Folgt: Keine Nahrungsmittelkonkurrenz

Keine Nahrungsmittelkonkurrenz

Überprüfung von Bakterien auf Agarplatten in einem Anaerobenzelt – Foto © Universität Frankfurt

 

Die potenziellen Vorteile überwiegen für den Mikrobiologen jedoch: „Andere Bakterien nutzen oft Zucker als Substrat“ – biotechnologische Prozesse stünden damit in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln. Selbst die Prozesse, die pflanzliche Abfälle als Rohstoff verwenden, können nicht mithalten, denn die Bakterien, mit denen Müller arbeitet, „machen aus einem schädlichen Klimagas etwas Sinnvolles“. Noch ist es allerdings nicht so weit – das Projekt läuft noch bis Ende 2018. Rund 380.000 Euro hat Müller für sein Teilprojekt aus dem ERA-Net Industrielle Biotechnologie (ERA-IB 5) erhalten, seine Partner an der Universität Ulm und Siemens zusätzlich rund 470.000 bzw. 270.000 Euro. Als Erstes mussten aus den Datenbanken bekannter Gene vielversprechende Kandidaten für Enzyme ausgewählt werden, die im Bakterium die nötigen chemischen Umwandlungen vornehmen – denn von CO2 zu 3-Hydroxypropansäure benötigen die Bakterien mehrere Zwischenschritte: Essigsäure, Brenztraubensäure, Milchsäure. Von Natur aus kommt A. woodii nur bis zur Essigsäure, einem wirtschaftlich nicht so interessanten Produkt.

Enzyme einbauen und testen

Die Partner an der Universität Ulm erzeugen zunächst maßgeschneiderte Transportsysteme mit den Kandidatengenen, sogenannte Plasmide, und schleusen diese in den einfacher zu handhabenden Modellorganismus Escherichia coli ein. An Müller und seinem Team ist es dann zu überprüfen, ob diese Gene erfolgreich in das Erbgut der Bakterien aufgenommen wurden und vor allem, ob und in welchem Maße die von ihnen codierten Enzyme das jeweilige Produkt herstellen.

Im 500-Milliliter-Volumen vermehren die Forscher dazu die Bakterien und schließen die Zellen am Ende durch einen plötzlichen Druckabfall auf. Rund 3.800 unterschiedliche Enzymarten schwimmen dann in der resultierenden Brühe. Je nachdem, um welche Zielenzyme es sich handelt, lässt sich deren Aktivität durch individuelle Tests nachweisen und messen – mal spektroskopisch, mal durch Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie. All das muss unter Luftausschluss erfolgen, denn die Enzyme sind – ebenso wie Bakterien, aus denen sie ursprünglich stammen – empfindlich gegen Sauerstoff. Diese Enzymtests zu entwickeln und durchzuführen, ist eine der Stärken von Müllers Arbeitsgruppe.

Zwischenziel erreicht

„Schwierig wird es vor allem dann, wenn man die Substrate für die Enzyme nicht kaufen kann, sondern selbst herstellen muss“, berichtet Müller. Dann müssen die Forscher erst andere Enzyme finden, die das Substrat erzeugen. Trotzdem ist inzwischen ein Zwischenziel des Projektes erfolgreich abgeschlossen: Der Projektverbund hat ein Enzym identifiziert, dass den Schritt von der Brenztraubensäure zur Milchsäure meistert. „Wir haben auch schon einen Kandidaten für den nächsten Schritt“, so Müller.

Sind die richtigen Enzyme für die gesamte Reaktionskette gefunden, müssen sie noch in A. woodii eingeschleust werden – Müller: „In E. coli wäre der Herstellungsprozess wohl nicht möglich, da einige Enzyme außergewöhnliche Cofaktoren und Metallfaktoren benötigen“. Für die spätere industrielle Anwendung müssten der Organismus und die Bedingungen der Kultivierung dann wohl weiter optimiert werden, um die Produktausbeute zu erhöhen und so zu einem ökonomisch interessanten Prozess zu führen. Als Substrat denkt Müller vor allem an Synthesegas, das in zahlreichen Industrieprozessen als Abfall anfällt. Erste biotechnologische Anlagen, die auf diese Weise einfache Plattformchemikalien erzeugen, sind bereits in Betrieb. Autor: Björn Lohmann

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