Bakterien sollen Biokraftstoff produzieren
Zehn Bielefelder Master-Studierende konstruieren ein Bakterium, das überschüssigen Strom aus regenerativen Energien sowie Kohlenstoffdioxid (CO2) nutzt, um einen Biokraftstoff zu produzieren. Aktuelle Probleme dienen ihnen dabei als Ansporn für ihr Projekt: Fehlende Infrastruktur für die Speicherung und den Transport regenerativer Energien, steigende CO2-Emissionen, drohende Rohstoffknappheit. Dafür entwickeln die Studierenden Lösungsansätze und nehmen damit am diesjährigen iGEM-Wettbewerb teil. iGEM steht für „international Genetically Engineered Machine“ – die „international Genetically Engineered Machine competition“ ist ein internationaler, studentischer Wettbewerb im Bereich der synthetischen Biologie, der seit 2004 in Boston, USA, ausgetragen wird.
Team-Mitglied David Wollborn bei ersten Testläufen mit dem selbst entworfenen Reaktor, in dem die Bakterien wachsen sollen.
Janina Tiemann
Im April dieses Jahres hat das Bielefelder iGEM-Team mit der Arbeit begonnen – Ende Oktober wird es nach Boston fliegen, um seine Ergebnisse im Wettbewerb zu präsentieren. Team-Mitglied Simon Riedl erklärt, wie die Studierenden auf die Idee für das diesjährige Projekt gekommen sind: „Strom aus regenerativen Energien lässt sich bislang weder effizient speichern noch transportieren. Das bedeutet, dass beispielsweise bis zu 17 Prozent des durch Windenergie erzeugten Stroms nicht in das Stromnetz eingespeist werden. Diesen überschüssigen Strom wollen wir nutzen, um damit die von uns konstruierten Bakterien wachsen zu lassen.“
Am Ende des Prozesses soll ein Biokraftstoff stehen
Die Bakterien befinden sich in einer reversen mikrobiellen Brennstoffzelle (rMFC), in der die Energie des Stroms auf die Bakterien übertragen und von diesen weiter genutzt wird. Um das Ziel – einen Biokraftstoff herzustellen – zu erreichen, ist es wichtig, dass die Bakterien wachsen beziehungsweise sich vermehren, da gilt: Je mehr Bakterien man hat, desto mehr Biokraftstoff lässt sich produzieren. Vom Wachstum der Bakterien, hin zur Produktion des Biokraftstoffs ist aber noch ein Zwischenschritt notwendig. Deshalb arbeiten die Studierenden daran, die Bakterien zu befähigen, CO2 zu fixieren. Dafür bringen sie einen Stoffwechselweg in die von ihnen konstruierten Escherichia coli-Bakterien ein. Dieser ist in Pflanzen während der Photosynthese aktiv und bindet den Kohlenstoff aus dem CO2. Der fixierte Kohlenstoff soll im Bakterium dann als Grundlage für die Herstellung wirtschaftlich relevanter Produkte, beispielsweise eines Biokraftstoffs, dienen. Positiver Nebeneffekt des Vorgangs ist, dass auf diese Weise CO2 aus der Luft entfernt und von den Bakterien gebunden wird – CO2 ist jene chemische Verbindung, die als eine Ursache für die Klimaerwärmung gilt.
„Alle fossilen Energieträger – also zum Beispiel Kohle, Gas oder Erdöl – sind in ihrem Vorkommen begrenzt“, erklärt Sebastian Blunk, einer der beteiligten Studierenden. „Deshalb haben wir es uns zum Ziel gesetzt, einen Biokraftstoff zu produzieren, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.“ Das Bielefelder Team hat sich für die Herstellung des Biokraftstoffs Isobutanol entschieden, der beispielsweise als Treibstoff für Autos genutzt werden könnte. Im Gegensatz zu dem gebräuchlichen Ethanol-Kraftstoff ist die Energiedichte von Isobutanol höher. Das heißt, man benötigt theoretisch von diesem Kraftstoff eine geringere Menge, um ein Fahrzeug zu betreiben. Um Isobutanol herzustellen, nutzen die Studierenden einen synthetischen Stoffwechselweg, der in der Natur in dieser Form nicht existiert: Dafür kombinieren sie Gene unterschiedlicher Organismen und bringen diese in das von ihnen konstruierte Bakterium ein, welches mithilfe des fixierten Kohlenstoffs schließlich den Biokraftstoff produziert.
Erste Erfolge können die Studierenden bereits vermelden: So ist es ihnen gelungen, Gene für die Isobutanolproduktion zu isolieren und zu kombinieren. Außerdem ist eine erste Konstruktion der entworfenen Brennstoffzelle abgeschlossen, sodass das Team mit Testläufen starten kann. Im Wettbewerb in Boston will es dann das fertige Bakterium vorstellen, welches mittels Strom wachsen, CO2 fixieren und Isobutanol produzieren kann.
Außerhalb des Labors
Neben der Arbeit im Labor gehört es zu den Aufgaben des Wettbewerbs, dass die Studierenden ihr Projekt in der Öffentlichkeit zu präsentieren. So haben die Studierenden beispielsweise einen Biologie-Leistungskurs der Friedrich-von-Bodelschwingh-Schule bei molekularbiologischen Versuchen betreut und die diesjährige CeBiTec-Schülerakademie am Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld mitgestaltet. Beim NRW-Tag in Bielefeld bot das Team an einem Stand unterschiedliche Experimente für Kinder an und erklärte Besuchern anhand von Postern die synthetische Biologie und ihr iGEM-Projekt.
Auch die Sponsorensuche muss das Team als Teil des Wettbewerbs meistern: Materialien, Teilnahmegebühren, Reisekosten sowie Unterkünfte schlagen mit über 30.000 Euro zu Buche. Für ihr Projekt konnten die Studierenden, die aus den Studiengängen Molekulare Biotechnologie, Genombasierte Systembiologie, Bioinformatik und Genomforschung sowie Naturwissenschaftliche Informatik kommen, bereits einige Sponsoren gewinnen. Unter anderem hat sich das Team erfolgreich auf eine Ausschreibung von „Synenergene“ beworben. Synenergene ist ein europäisches Projekt mit dem Ziel, Forschung und Innovation in der synthetischen Biologie zu fördern. Dabei ist die Förderung nicht nur finanzieller Art, sondern das iGEM-Team wird auch bei der Entwicklung von Anwendungsszenarien sowie der Abschätzung von gesellschaftlichen Auswirkungen ihres Projekts unterstützt. Von Seiten der Universität Bielefeld erhalten die Studierenden Hilfestellung von Wissenschaftlern der Fakultät für Biologie und der Technischen Fakultät. Professor Dr. Jörn Kalinowski vom CeBiTec (Centrum für Biotechnologie) steht dem Team als Betreuer zur Seite.
Weltweite Konkurrenz
Der iGEM-Wettbewerb feiert in diesem Jahr sein zehnjähriges Jubiläum. Deshalb gibt es diesmal keine kontinentalen Vorentscheide, sondern alle Teams dürfen ihre Projekte direkt im Finale in Boston präsentieren. Anfangs ein Kursangebot des Massachusetts Institute of Technology (MIT), steigen die Teilnehmerzahlen seit 2004 stetig an – von fünf Teams im ersten Jahr auf über 240 diesjährig. Insgesamt treten in diesem Jahr rund 2.500 Teilnehmer aus 32 Ländern an. „iGEM ist international der bedeutendste studentische Wettbewerb der synthetischen Biologie. Die Nachwuchs-Wissenschaftler haben hier die Möglichkeit, sich mit Studierenden der weltweit bedeutendsten Universitäten zu messen und so wichtige Impulse für ihre Ausbildung und die berufliche Karriere zu erwerben“, fasst Professor Kalinowski zusammen. Die Universität Bielefeld ist bereits im fünften Jahr in Folge dabei und hat sich von 2010 bis 2013 erfolgreich für das Finale in Boston qualifizieren können. Im letzten Jahr wurde das Bielefelder Team sogar Europa- und Vizeweltmeister.
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