Neuer Weg zur nachhaltigen Herstellung von Chemikalien durch Nachahmung von Tricks der Natur
Forscher haben die Art und Weise kopiert, wie Organismen giftige Chemikalien produzieren, ohne sich selbst zu schädigen, und damit den Weg für eine umweltfreundlichere Chemikalien- und Kraftstoffproduktion geebnet.
Bakterien, die Chemikalien mit (L) und ohne (R) den Schritt der Bioderivitisierung produzieren. Bei der Bioderivitisierung sind die Bakterien gesünder (dunkleres Grün).
Patrik Jones/Imperial College London
Die neue Technik, die von Wissenschaftlern des Imperial College London entwickelt wurde, könnte die Notwendigkeit der Nutzung fossiler Brennstoffe zur Herstellung von Chemikalien, Kunststoffen, Fasern und Kraftstoffen verringern.
Derzeit werden viele nützliche Chemikalien aus fossilen Brennstoffen hergestellt, die abgebaut werden müssen, nur begrenzt verfügbar sind und den Kohlenstoffkreislauf stören. Eine Alternative ist die Entwicklung von Mikroorganismen wie Escherichia coli (E. coli) und Cyanobakterien, um die Chemikalien nachhaltiger direkt aus dem atmosphärischen Kohlendioxid zu produzieren.
Viele der Chemikalien, die auf diese Weise hergestellt werden können, sind jedoch für die Mikroorganismen giftig, was ihre Fähigkeit, große Mengen auf kostengünstige Weise herzustellen, verringert.
Nun haben Forscher durch Nachahmung der Art und Weise, wie natürliche Organismen mit ihren eigenen giftigen Chemikalien umgehen, gezeigt, dass Bakterien so programmiert werden können, dass sie Chemikalien produzieren, ohne das Wachstum ebenfalls zu beeinträchtigen.
Mit diesem Konzept könnten nützliche Chemikalien, Kunststoffe und sogar Kraftstoffe hergestellt werden, was den Bedarf an fossilen Brennstoffen weiter reduzieren und dazu beitragen könnte, den Klimawandel zu minimieren. Die neue Technik und ein erster Proof of Concept werden in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Der leitende Forscher Dr. Patrik Jones von der Abteilung für Lebenswissenschaften bei Imperial sagte: "Wir haben uns angesehen, was die Natur bereits zu ihrem eigenen Nutzen tut, und die Idee auf die Biotechnologie zu unserem Nutzen angewandt.
Organismen wie Pflanzen und Hefen produzieren manchmal Chemikalien, die für sie giftig sind. Um sie sicher zu lagern, nehmen sie kleine Veränderungen an den Chemikalien vor, um sie unschädlich zu machen. Die daraus resultierenden Chemikalien werden als "Derivate" bezeichnet und können durch relativ einfache Chemie wieder in die ursprüngliche, toxische Form gebracht werden.
Das Team nahm diese Idee auf und programmierte mit Hilfe der Gentechnik E. coli und Cyanobakterien, um 1-Octanol, eine Chemikalie, die derzeit in Parfüms verwendet wird, herzustellen, die für die Bakterien giftig ist. Sie fügten dann eine zusätzliche Reihe von Anweisungen zu E. coli hinzu, so dass es zwei verschiedene Derivate von 1-Octanol produzieren würde, die beide weniger schädlich sind.
Die Forscher sagen, wenn dies für industrielle Systeme skaliert werden sollte, würden die manipulierten Bakterien das ungiftige Derivat von 1-Octanol produzieren, das dann zurückgewonnen und chemisch in 1-Octanol zurückverwandelt würde, bereit für den Gebrauch.
Das Team fand heraus, dass ihr System 1-Octanol produziert, ohne das Wachstum der Bakterien zu beeinträchtigen. Sie fanden auch, dass das System mehr 1-Octanol produzierte als ein System ohne den Derivatisierungsschritt, was ihrer Meinung nach damit zusammenhängt, dass das Derivat nicht nur weniger giftig, sondern auch besser löslich in dem umgebenden Wasser oder Lösungsmittel ist.
Dr. Jones sagte: "Eine löslichere Chemikalie kann sich schneller von den Zellen entfernen, wo sie weniger wahrscheinlich in die Prozesse der Bakterien eingreift."
Nun hat das Team das Konzept der Schaffung von Derivaten mit Hilfe von programmierten Mikroorganismen gezeigt, sie wollen ein komplettes System aufbauen, von der Herstellung des Derivats bis zur Rückgewinnung der gewünschten Chemikalie.
Dies wird ihnen helfen, das Verfahren zu verfeinern und möglicherweise für den Einsatz in der Industrie zu vergrössern.
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