Billiger Biosprit aus Pflanzenabfällen

Frankfurter Biowissenschaftler entwickelten durch "gesteuerte Evolution" einen neuen Hefetyp, der Pflanzenabfälle in Bioethanol umwandeln kann.

(vv) - Eine umweltfreundliche Energiequelle, die zu einem vertretbaren Preis und in ausreichender Menge zur Verfügung steht, sehen Frankfurter Biowissenschaftler in Bioethanol. Den Forschern ist es gelungen, einen Hefetyp zu entwickeln, der Pflanzenabfälle in Alkohol umwandeln kann. Bioethanol gilt als "sauberer" Kraftstoff, weil bei seiner Verbrennung nur soviel Kohlendioxid freigesetzt wird wie zuvor durch die Pflanzen beim Wachstum absorbiert worden ist.

Bislang sei der Einsatz von Pflanzenabfällen zur Produktion von Bioethanol sehr ineffizient und nicht rentabel genug gewesen. 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 glaubt die Arbeitsgruppe von Prof. Eckhard Boles von der Universität Frankfurt jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Lund in Schweden gelöst zu haben. Anders als bei der bisher üblichen Produktion aus teuren Agrarprodukten wie Getreide, Zuckerrüben oder Zuckerrohr ermögliche ihr Verfahren die Umsetzung von pflanzlichen Reststoffen wie landwirtschaftlichen Abfällen, Stroh oder Hölzern.

Die Forscher bauten dazu 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 sei 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.

"Gesteuerte Evolution"

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 Analyse des resultierenden neuen Hefestammes entschlüsselte schließlich die 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.

Um eine industrielle Nutzung zu ermöglichen, arbeiten die Forscher nun daran, die Ausbeute an Ethanol weiter zu steigern und die Vergärung zu beschleunigen. Dazu sollen die genetisch veränderten Hefen ein weiteres Mal über viele Monate hinweg und diesmal unter industriellen Bedingungen gezwungen werden, die Pentosezucker noch effizienter zu vergären.

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