Forscher aus Kalifornien haben Darmbakterien der Art Escherichia coli (E. coli) gentechnisch so verändert, dass sie aus Zucker und Xylan, einer zelluloseähnlichen Substanz, hochwertigen Biodiesel produzieren. In großen Bioreaktoren in industriellem Maßstab angewandt, könnten die lebenden Biosprit-Fabriken so einen Beitrag zum Ersatz von fossilen Kraftstoffen leisten, schreibt das Team um Eric J Steen vom Synthetic Biology Research Center in Emeryville im Journal „Nature“.

Indem nicht Zucker (als bereits veredeltes Produkt), sondern einfache Zellulose aus Pflanzenabfällen an die Bakterien verfüttert wird, ließe sich auch der schwelende Konflikt um Agrarflächen mildern. Denn heute konkurrieren Raps, Mais, Zuckerrohr und Soja als spritliefernde Energiepflanzen um Anbauflächen für Nahrungsmittel – was allerdings technisch ein nicht sehr effizienter Weg ist.

Kolibakterien hingegen nutzen in ihren biologischen Prozessen wie Pflanzen und Tiere höchst effiziente Biokatalysatoren (Enzyme), um Stoffe neu zu synthetisieren oder aufgenommene Substanzen biochemisch an ihre Bedürfnisse anzupassen. Solche Prozesse machen sich auch Pharmazeuten zunutze, wenn sie etwa Bakterien und Bäckerhefe Humaninsulin herstellen lassen.

Im Energiesektor war das bisher nicht etabliert. Pflanzenöle und Tierfette sind zwar seit Langem die Basis für Schmiermittel, Chemikalien und Biodiesel. Der besteht aus sogenannten Fettsäure-Estern und ähnelt dem mineralischen Diesel. Doch die Herstellung ist bislang vergleichsweise aufwendig und energetisch ineffizient. Deshalb suchen Ingenieure nach neuen Wegen, indem sie die natürlichen Stoffwechselwege von Mikroorganismen nutzen und durch gentechnische Veränderungen abwandeln.

Den US-Forschern ist nun ein Fortschritt bei der naturgleichen Verarbeitung pflanzlicher Rohstoffe zu Biosprit gelungen. Sie haben das Kolibakterium dazu gebracht, Biotreibstoffe mit einem hohen Energiegehalt herzustellen. Das Team beschreibt zudem, wie solche Bakterien künftig Treibstoffe selbst aus Zellulose produzieren. So könnte Biosprit mit geringen Effizienzverlusten aus landwirtschaftlichen Abfällen wie Stroh oder Holzresten gewonnen werden statt aus eigens dafür angebauten Pflanzen – man spricht von Biokraftstoffen der zweiten Generation.

E. coli eignet sich gut, denn das Bakterium produziert natürlicherweise schon eine beachtliche Menge an Fettsäuren, die Ausgangssubstanzen für die Fettsäure-Ester des Biodiesels sind. Außerdem haben Wissenschaftler für E. coli – seit Langem ein beliebtes Forschungsobjekt – schon einen üppig ausgestatteten Werkzeugkasten für gentechnische Veränderungen.

Das erlaubte es jetzt auch den Biologen um Steen, die natürlichen Synthesewege von E. coli umzubauen. Zum einen konnten sie Gene bremsen, die die Synthese von Fettsäuren in der Zelle limitieren. Zusätzlich steigerten sie die Aktivität von Enzymen, mit denen das Bakterium die nun in größerer Menge hergestellten Fettsäuren zu hochwertigen Fettsäure-Ester aufbaut. Die lebenden Fabriken sollen sich aber möglichst auch mit wenig veredeltem Futter zufriedengeben wie zellulosehaltigen Pflanzenabfällen.

Und tatsächlich ist es den kalifornischen Forschern gelungen, dass E. coli durch den gentechnischen Einbau eines neuen Stoffwechselweges sich nun auch mit Xylan, einem Verwandten der Zellulose, begnügt. Xylan wie Zellulose sind Polymere aus vielen Zuckerbausteinen.

Enzyme aus der Gruppe der Xylanasen, deren Baupläne in das E.-coli-Genom eingebaut wurden, spalten das Zellulose-Polymer in seine einzelnen Zuckerbausteine. Das öffnet jetzt den Weg für einen „eleganten“ Umbau von Pflanzen in hochwertigen Biodiesel.