Entdeckt wurde das Bakterium Basfia succiniciproducens 2008 von Forschenden der BASF im Pansen eines Holstein-Rinds. Also genau dort, wo Kühe Gras verdauen. In dieser Umgebung erfüllt es eine wichtige Aufgabe: Es hilft dabei, pflanzliche Bestandteile zu zerlegen und wandelt dabei Zucker und CO₂, das bei den Gärprozessen im Pansen in großen Mengen entsteht, unter anderem in organische Säuren um.

Um zu verstehen, was im Projekt FUMBIO passiert, hilft ein Bild, das die Mikrobiologin Prof. Anke Becker von der Universität Marburg verwendet. Sie trägt mit ihrem Team entscheidend zur Erforschung und Optimierung des Bakteriums bei. „Stellen Sie sich eine Großstadt vor mit vielen verschiedenen Umgehungs- und Nebenstraßen. Das wäre jetzt der Stoffwechsel der Zelle“, erklärt Anke Becker. Man kann sich dieses Netzwerk wie ein dichtes Geflecht aus Hauptstraßen, Nebenstraßen und Umgehungsrouten vorstellen, auf denen ständig Verkehr fließt. Im Fall der Zelle entspräche das chemischen Reaktionen und Stoffumwandlungen. Jede Verbindung erfüllt eine bestimmte Funktion, alles ist aufeinander abgestimmt. „Wenn wir genetisch eingreifen, entspricht das einer Baustelle im Stadtzentrum“, so Becker. Will man nun erreichen, dass die Zelle statt eines Stoffes einen anderen produziert, reicht es nicht, einfach einen Schalter umzulegen. Vielmehr muss der „Verkehr“ gezielt umgeleitet werden, um Staus zu vermeiden. Einige Straßen werden gesperrt, andere erweitert, neue Verbindungen geschaffen. Genau das ist die Idee des sogenannten „Metabolic Engineering“, der gezielten Veränderung von Stoffwechselwegen.

So elegant die Idee des Umprogrammierens der Bakterien klingt, in der Praxis entsteht manchmal „eine Baustelle mitten im Berufsverkehr“. Denn der Stoffwechsel einer Zelle ist kein einfaches System, sondern das Ergebnis von Milliarden Jahren Evolution. Jede Veränderung hat Auswirkungen auf das gesamte Netzwerk. Wird ein Weg blockiert, staut sich der „Verkehr“ an anderer Stelle. Im schlimmsten Fall funktioniert das System gar nicht mehr: Die Zelle wächst langsamer, produziert unerwünschte Nebenprodukte oder stirbt sogar ab. Solche Effekte beobachten Forschende immer wieder. Kleine genetische Eingriffe können überraschend große Konsequenzen haben. Was auf dem Papier logisch erscheint, funktioniert in der lebenden Zelle oft anders als erwartet. Wissenschaft bedeutet hier vor allem: Probleme erkennen, verstehen und lösen.

Parallel zum Aufbau genetischer Werkzeuge arbeitet das Projektteam von FUMBIO daran, den komplexen Stoffwechsel von Basfia succiniciproducens systematisch zu verstehen und gezielt für die Produktion von Fumarsäure umzuleiten. Genau hier bringt die Gruppe um Prof. Christoph Wittmann an der Universität des Saarlandes ihre Expertise in der Systembiotechnologie und im „Metabolic Engineering“ ein. Mithilfe computergestützter Stoffwechselmodelle, experimenteller Datenanalysen und moderner Analytik untersuchen die Forschenden, wie Kohlenstoff- und Elektronenflüsse innerhalb der Zelle verlaufen und an welchen Stellen sich der Stoffwechsel gezielt in Richtung Fumaratproduktion umlenken lässt.

Doch selbst vielversprechende genetische Veränderungen sind nur dann relevant, wenn die Mikroorganismen auch unter industriellen Bedingungen stabil wachsen und hohe Produktausbeuten erreichen. Deshalb untersucht das Team an der Universität des Saarlandes zusätzlich, wie sich Basfia succiniciproducens unter realen Prozessbedingungen im Bioreaktor verhält. Denn Bedingungen, die im kleinen Labormaßstab funktionieren, lassen sich nicht automatisch auf industrielle Produktionsprozesse übertragen. Bereits kleine Veränderungen bei CO₂-Versorgung, pH-Wert, Temperatur oder Nährstoffverfügbarkeit können Wachstum, Stoffwechsel und Produktbildung deutlich beeinflussen.

Während die Forschenden in Marburg und Saarbrücken dem Bakterium die gewünschte Fumarsäure entlocken, arbeitet die RPTU Kaiserslautern-Landau an der nächsten Stufe der Wertschöpfungskette: der gezielten Weiterverarbeitung zu einer ganzen Palette nachhaltiger Chemieprodukte. Denn Fumarsäure ist ein vielseitiger Ausgangsstoff, etwa für den Proteinbaustein Asparaginsäure oder für Bestandteile biobasierter Reinigungsmittel.

Insgesamt zeigt sich, wie anspruchsvoll die Forschung im Projekt FUMBIO ist: Es geht nicht nur darum, biologische Möglichkeiten auszuloten, sondern sie auch kontrollierbar und nutzbar zu machen. Die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie erweist sich als Stärke des Projekts. Hier treffen zwei Denkweisen aufeinander, die sich ideal ergänzen können, findet Becker: Während die akademische Forschung verstehen will, warum und wie ein biologisches System funktioniert, steht für die Industrie im Vordergrund, dass es zuverlässig funktioniert, und zwar möglichst schnell, effizient und skalierbar. In FUMBIO kommen diese Perspektiven zusammen.

An der Universität Marburg entwickelt das Team um Anke Becker die genetischen Werkzeuge und programmiert den Stoffwechsel des Bakteriums gezielt um. Die Universität des Saarlandes kombiniert Systembiologie, computergestützte Stoffwechselmodellierung, Stammoptimierung und Bioprozessentwicklung, um neue Stoffwechselstrategien zu identifizieren und robuste Fermentationsprozesse für die industrielle Produktion zu entwickeln. Die RPTU Kaiserslautern-Landau beschäftigt sich mit der biokatalytischen Weiterverarbeitung des Zwischenprodukts Fumarsäure mithilfe von maßgeschneiderten Enzymen. Und die BASF übernimmt als Industriepartner die Koordination des gesamten Projekts sowie die Skalierung der Fermentationsprozesse. Denn das Ziel ist eine spätere großtechnische Anwendung, die zuverlässig funktioniert, hohe Produktausbeuten liefert und zugleich wirtschaftlich ist. „Im Unterschied zu klassischen Ansätzen ersetzt FUMBIO fossile Rohstoffe vollständig und wir möchten das Verfahren in Zukunft gezielt in bestehende industrielle Prozesse einbauen“, erläutert Barbara Navé von der BASF.

Die enge Kooperation aller Beteiligten ist entscheidend, denn der Sprung vom Labor in die Anwendung stellt ganz eigene Anforderungen. Was im kleinen Maßstab funktioniert, muss unter realen Produktionsbedingungen noch lange nicht stabil laufen. In industriellen Bioreaktoren verändern sich Faktoren wie Temperatur, pH-Wert oder Nährstoffverfügbarkeit und damit auch das Verhalten der Mikroorganismen. Hier kann insbesondere die BASF ihre langjährigen Erfahrungen aus anderen bereits etablierten biotechnologischen Verfahren einbringen.

Das Projekt verfolgt dabei bewusst einen interdisziplinären Ansatz, der unterschiedliche Expertisen zusammenführt. „Unser FUMBIO-Projekt verfolgt einen multidisziplinären Ansatz, der Menschen mit unterschiedlichen Fähigkeiten zusammenbringt, um gemeinsam nachhaltige Lösungen für die Zukunft zu entwickeln“, betont Antonio Pierik von der RPTU. Diese Verbindung von Biologie, Chemie und Verfahrenstechnik ermögliche es, neue biobasierte Produktionswege systematisch zu erschließen.

Was im Projekt FUMBIO entsteht, ist ein Beispiel dafür, wie sich industrielle Produktion grundsätzlich verändern könnte: weg von fossilen Rohstoffen, hin zu Kreisläufen, in denen CO₂ als Ressource genutzt wird. Fumarsäure ist dabei nur ein Baustein, eine Plattformchemikalie, aus der sich zahlreiche Produkte herstellen lassen, von Kunststoffen bis hin zu Medikamenten. Gelingt es, solche Prozesse effizient zu etablieren, könnten sie einen messbaren Beitrag zur Defossilierung der Chemieindustrie leisten.

Mikroorganismen spielen dabei eine Schlüsselrolle, meint Anke Becker: „Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen, die wir haben und wir werden ihn nicht mit einem einzigen Ansatz lösen. Aber wenn wir das Potenzial von Mikroorganismen nicht nutzen, begehen wir einen großen Fehler. Sie verfügen über eine biochemische Vielfalt, wie sie keine andere Organismengruppe auf der Erde bietet.“ Während die Entdeckung im Kuhmagen zur Zukunftstechnologie avanciert, steht FUMBIO exemplarisch für eine Forschung, die Grundlagenwissen und Anwendung verbindet.

von Hanna Berger