Lichtglückliche Hefe könnte unseren Ansatz zu Biokraftstoffen verändern

Licht ist Leben

Fast alle Energie in der menschlichen Zivilisation stammt letztlich von der Sonne. Nahrung, Biomasse und Holz wachsen dank Sonnenlicht. Und Kohle, Gas und Öl bestehen aus vor Millionen von Jahren abgestorbenen Pflanzen. Selbst der Wind ist das Ergebnis der Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne. Und natürlich haben wir heute Solarpaneele. Angesichts dessen, wie ein großer Teil unseres Energiebedarfs von lebenden Organismen gedeckt wird, die die Kraft der Sonne nutzen, ergibt das Konzept von Biokraftstoffen Sinn.

Das Problem ist, dass erste und zweite Generation von Biokraftstoffen, die Feldfrüchte wie Mais und Zuckerrohr oder landwirtschaftliche Rückstände nutzen, aufgrund des hohen Einsatzes von fossilen Brennstoffen und Düngemitteln beim Anbau dieser Pflanzen eine eher geringe Energieausbeute haben.

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Biokraftstoffe der dritten Generation versuchen, stattdessen Algen zu nutzen, ein Thema, das wir in unserem Artikel „Algen-Biokraftstoff: Die nächste Energie-Revolution?“ ausführlicher behandelt haben.

Aber was wäre, wenn wir jedes Lebewesen zur Photosynthese befähigen könnten? Was bisher ein Wunschtraum war, wurde von Forschern der Georgia Tech teilweise verwirklicht.

Lichtbetriebene Hefe

Hefe ist vielleicht das am besten verstandene Mikroorganismus der Welt. Menschen nutzen die biochemischen Fähigkeiten der Hefe seit Anbeginn der Zivilisation zur Herstellung von Brot, Alkohol und fermentierten Milchprodukten.

Hefen sind zudem eines der häufigsten Organismus‑„Modelle“ in biologischen Laboren und wichtige Bio‑Fabriken für zahlreiche Medikamente und nützliche Biomoleküle.

Dennoch müssen Hefen mit Zucker oder anderen Verbindungen gefüttert werden, um zu überleben. Zumindest galt das, bis Anthony Burnetti, ein Forschungswissenschaftler im Labor von außerordentlichem Professor William Ratcliff, es schaffte, Hefe dazu zu bringen, die Energie des Lichts zu nutzen.

„Alles, was wir tun mussten, war ein einzelnes Gen zu verlagern, und sie wuchsen im Licht 2 % schneller als im Dunkeln. Ohne Feineinstellungen oder sorgfältiges Anstupsen funktionierte es einfach.“

Völlig neue Art von Hefen

Das Team ist erfahren darin, Hefe zu verändern, ein häufiges und allgegenwärtiges Lebewesen mit neuem und unerwartetem Potenzial. Besonders bemerkenswert ist, dass sie zuvor die einzellige Hefe in ein komplexes mehrzelliges Organismus im Rahmen des „Multicellularity Long-Term Evolution Experiment“ umgewandelt hatten.

Quelle: Georgia Tech

Ein Wachstumslimit dieser mehrzelligen Hefen bestand darin, Sauerstoff in den inneren „Geweben“ zu erreichen. Deshalb machten sie die Hefe zu einem photosynthetischen Organismus.

Dazu fügten sie den Hefen ein Protein, das Rhodopsin, hinzu. Dieses Protein ist dafür bekannt, eine gewisse Photosynthese zu ermöglichen, ohne die komplexen Proteine und Biomoleküle höherer Pflanzen (wie Chlorophyll) zu benötigen.

Durch das Hinzufügen eines einzigen Gens, das für ein Rhodopsin‑Protein codiert, konnte die Hefe Licht einfangen und schneller wachsen. Der Zuwachs war bescheiden, lediglich +2 % Wachstum, aber bedeutend wegen der einfachen Veränderung. Und dieses gesteigerte Wachstum wurde noch nicht optimiert.

Biokraftstoff mit synthetischer Biologie

Bisher hat die Biokraftstoffforschung versucht, bereits photosynthetische Pflanzen (Mais, Zuckerrohr oder Algen) zu modifizieren und den Prozess effizient genug zu machen, um wirtschaftlich sinnvoll zu sein.

Doch dabei stieß man auf mehrere Hürden, da die Biomaterialien in hochwertigen Pflanzen und Feldfrüchten wie Mais nicht leicht verfügbar sind und ihre Umwandlung in Ethanol mit erheblichen Energieverlusten verbunden ist. Gleichzeitig sind Algen vielversprechender, aber ihre Kultivierung ohne Kontamination ist alles andere als einfach.

Im Gegenteil ist das Wachstum von Hefe ein gut verstandener Prozess, der routinemäßig in großindustriellen Anlagen durchgeführt wird. Hefe als Ersatz für Algen zu nutzen, könnte neue Wege zur Synthese von Biokraftstoffen eröffnen. Anstatt auf komplexe Verfahren zur Algenzucht zu setzen, könnten wir Hefe oder Bakterien so entwickeln, dass sie allein durch Sonnenlicht wachsen und davon profitieren, dass diese Organismen in industriellen Mengen viel leichter zu kultivieren sind.

Bioengineerte Kraftstoffbestände

Insgesamt ist dies noch ein sehr junges und vielversprechendes Segment der Biokraftstoffforschung und des Bioengineerings. Daher werden die Unternehmen, die am wahrscheinlichsten versuchen, dies zu realisieren, ein hohes Maß an Fachwissen in synthetischer Biologie und/oder Biokraftstoffproduktion benötigen.

Die nachstehende Liste ist lediglich ein Vorschlag, welche Unternehmen das Potenzial der Entdeckung der Forscher der Georgia Tech sehen könnten.

1. Reliance Industry

Reliance Industry ist ein riesiger indischer Konzern, das größte private Unternehmen des Landes, aktiv in den Bereichen Telekommunikation, Textilien und Energie. Im Jahr 2022 war es das erste indische Unternehmen, das jemals einen Umsatz von 100 Mrd. $ erreichte.

Reliance hat 2022 den Einstieg in den Algen‑Biokraftstoffmarkt angekündigt und rühmt sich „eines der größten Algenkultivierungssysteme der Welt“. Bisher bestand sein Energieportfolio hauptsächlich aus Raffinerien und petrochemischen Anlagen. Mit diesem Algenprojekt könnte es die Produktion starten und die reichlich vorhandene Sonne in Indien (sowie unbebaute Wüsten) nutzen, um die extreme Abhängigkeit des Landes von ausländischen fossilen Brennstoffimporten zu verringern.

Das Unternehmen ist außerdem in der Produktion von Biogas aus landwirtschaftlichen Abfällen aktiv, wodurch es zum größten Bioenergieproduzenten Indiens wird.

2. Ginkgo Bioworks

Das Unternehmen stellt auf Abruf Organismen für spezifische Anwendungen her. Dazu gehören biomedizinische Anwendungen, aber auch zahlreiche Programme in der Industrie- und Materialwissenschaft.

Ginkgo ist genau die Art von Unternehmen, zu dem große Industrie‑Konglomerate wie Reliance gehen könnten, um eine maßgeschneiderte Hefe für die Biokraftstoffproduktion zu entwickeln.

Ginkgo Bioworks (DNA ) hat seine Anwendungen breit diversifiziert mit vielen Forschungsprogrammen und Partnerschaften:

• Cannabinoide
• mRNA‑Impfstoffproduktion und Nukleinsäure‑Medizin
• Lebensmittelproteine
• Biologische Düngemittelproduktion in Partnerschaft mit Bayer
• Programmierbare Mikroben für Darmerkrankungen
• Bioremediation von Mikroplastik
• Biosecurity und Erkennung von Pathogenen
• Recycling von Abfällen und Kontaminanten

Es verdient Geld, indem es zunächst für den Entwicklungsprozess im Voraus bezahlt wird und anschließend durch Lizenzgebühren auf das fertige Produkt.

2023 war ein ertragreiches Jahr für Ginkgo, mit Dutzenden von Partnerschaften, darunter:

• $331 M‑Deals mit Pfizer.
• $490 M‑Deal mit Merck zur Optimierung der Biologika‑Herstellung.
• $406 M‑Deal mit Boehringer Ingelheim für nicht medikamentierbare Ziele.
• Zusammenarbeit mit Biogen und Novo Nordisk für nicht offengelegte Beträge.

Quelle: Gingko Bioworks

Ginkgo Bioworks arbeitet zudem mit allen großen Agrarkonzernen zusammen, von denen die meisten ein Interesse an Biokraftstoffproduktion und Mikrobiologie haben. Einige davon sind Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta und weitere.