Photosynthetische Mikroorganismen können CO₂ in organische Moleküle umwandeln. Für Biokraftstoffe ist das attraktiv, doch bei vielen Ansätzen entstehen die wertvollen Öle oder Lipide im Zellinneren. Dann müssen große Mengen Biomasse geerntet, getrocknet und aufgeschlossen werden. Diese Aufarbeitung gilt als energie- und kostenintensiv. Ein Team der Saitama University in Japan berichtet nun über Cyanobakterien, die Vorstufen für Kraftstoffe nicht nur bilden, sondern direkt in das Kulturmedium abgeben.

Zelleigene Wege gezielt umgebaut

Die Gruppe um Yoshitaka Nishiyama arbeitete mit dem Süßwasser-Cyanobakterium Synechococcus elongatus PCC 7942. Cyanobakterien betreiben Photosynthese und werden in der Algenbiotechnologie häufig gemeinsam mit Mikroalgen betrachtet. Biologisch gehören sie jedoch zu den Bakterien. Das Team baute kein fremdes Produktionsgen ein, sondern veränderte nur Erbanlagen, die der Organismus bereits besitzt. Dafür schwächten die Forschenden einen natürlichen Rücknahmeweg für freie Fettsäuren. Normalerweise sorgt das sogenannte aas-Gen dafür, dass solche Moleküle wieder in den Zellstoffwechsel eingebunden werden. Gleichzeitig verstärkten sie drei zelleigene Funktionen: zwei Enzyme, die Fettsäuren aus Membranfetten lösen, und einen Transporter, der diese Moleküle aus der Zelle befördert.

Für die Gewinnung ist entscheidend, dass die Fettsäuren nicht im Zellinneren bleiben. Freie Fettsäuren lassen sich zu nachhaltigem Flugkraftstoff und Diesel-Alternativen weiterverarbeiten. Im Labor nutzte das Team ein zweigeteiltes Kultursystem. Über der wässrigen Kultur lag eine dünne organische Schicht aus Isopropylmyristat. In diese Schicht wanderten die wasserabweisenden Fettsäuren hinein und konnten dort gesammelt werden. Die Cyanobakterien mussten dafür nicht zerstört werden, sondern blieben am Leben und konnten weiter produzieren.

Kühle Bedingungen steigern die Ausbeute

Am besten funktionierte der Stamm, bei dem die Forschenden mehrere zelleigene Funktionen kombinierten. Die Zellen lösten dadurch mehr Fettsäuren aus Bestandteilen ihrer Zellmembran und gaben sie besser nach außen ab. Bei starkem Licht und 25 °C erreichte der beste Stamm nach 20 Tagen 389 Milligramm freie Fettsäuren pro Liter Kultur. Auffällig war, dass diese Temperatur unter der üblichen Wachstumstemperatur von 32 °C lag. Die Zusammensetzung der Fettsäuren spricht dafür, dass sie vor allem aus den Zellmembranen der Cyanobakterien stammen.

Für eine industrielle Produktion reichen diese Ergebnisse noch nicht aus. Die Versuche liefen im Labor in kleinen Kulturgefäßen. Auch die verwendete Sammelflüssigkeit Isopropylmyristat wäre für große Anlagen zu teuer. Künftig müssten daher günstigere Verfahren entwickelt werden, um die ausgeschiedenen Fettsäuren laufend aus der Kultur abzutrennen.

Ein weiterer Punkt betrifft die Regulierung. Die neuen Stämme enthalten nach Angaben der Forschenden keine dauerhaft eingebaute Fremd-DNA. Je nach Land und Rechtsrahmen könnten sie deshalb anders bewertet werden als klassische gentechnisch veränderte Organismen. Für eine spätere Produktion im Freiland wäre das wichtig, weil geschlossene Anlagen meist deutlich teurer sind.

Der Ansatz setzt an einem zentralen Problem der Algen- und Cyanobakterien-Biotechnologie an: Die Zielstoffe sollen nicht erst aufwendig aus geernteten Zellen herausgelöst werden, sondern laufend in das Kulturmedium übergehen. Vor einer Nutzung für Kraftstoffe stehen aber weitere Entwicklungsschritte an. Die Stämme müssen mehr Fettsäuren bilden, die Abtrennung muss günstiger werden und die Produktion muss auch bei wechselndem Licht und schwankenden Temperaturen im Außenbetrieb funktionieren.

ag