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Auf dem Weg zum Biokunststoff beginnt Stärke meist nicht direkt im Fermenter. Zunächst wird sie durch Enzyme in kleinere Zuckerbausteine zerlegt, die Mikroorganismen anschließend aufnehmen und zu einem Polymer verarbeiten können. Solche Zwischenschritte machen biotechnische Verfahren oft teurer und aufwendiger. Forschende der Universität Barcelona haben nun einen Bakterienstamm entwickelt, der Kartoffelstärke direkt als Ausgangsstoff nutzt und daraus Polyhydroxybutyrat, kurz PHB, bildet. Das biologisch abbaubare Biopolymer kann als biobasierter Kunststoff eingesetzt werden. Die Arbeit erschien in Bioresource Technology.
Ein vertrauter Helfer der Biotechnologie
Als Produktionsorganismus nutzt das Team Bacillus subtilis. Das Bakterium wird in der industriellen Biotechnologie seit langem zur Herstellung von Enzymen und Chemikalien eingesetzt. Für PHB war es bislang weniger leistungsfähig. Frühere Arbeiten lagen laut Team bei unter 13 Prozent PHB bezogen auf das Zelltrockengewicht. Die Forschenden veränderten den Stoffwechsel deshalb mit CRISPR-Cas9. Vereinfacht gesagt bauten sie die Gene für die PHB-Bildung so ein, dass die Zellen mehr Kohlenstoff in Speichergranula lenken können.
Stärkeabbau und Polymerbildung gekoppelt
Der entscheidende Zusatz war ein Gen für eine α-Amylase, ein Enzym, das Stärke spaltet. Dadurch konnten die Bakterien nicht nur einfache Zucker, sondern auch geringfügig vorbehandelte Kartoffelstärke verwerten. In Laborversuchen bildete der optimierte Stamm innerhalb von 24 Stunden 11,3 Gramm Biomasse und fast sechs Gramm PHB pro Liter Kultur. Der PHB-Anteil lag unter den optimierten Bedingungen bei etwa 52 Prozent des Zelltrockengewichts.
PHB gehört zur Stoffgruppe der Polyhydroxyalkanoate, die manche Bakterien als Energie- und Kohlenstoffspeicher anlegen. Für Anwendungen ist nicht nur die Menge wichtig, sondern auch die Qualität. Das Team berichtet, dass Molekulargewicht, thermisches Verhalten und Reinheit des erzeugten PHB mit kommerziellen Standards vergleichbar waren. Damit geht es nicht nur um eine neue Bakterienvariante. Stärkeabbau und Polymerbildung laufen im selben 24-Stunden-Ansatz zusammen.
Der Reiz des Ansatzes liegt in der Verbindung von erneuerbarem Kohlenstoff und einem gut handhabbaren Produktionsorganismus. Aus Sicht der Verfahrenstechnik ist aber nicht allein entscheidend, dass PHB entsteht, sondern wie robust der Prozess später läuft. In größeren Ansätzen müssten Substratkosten, Sauerstoffversorgung, Produktaufarbeitung und gleichbleibende Polymerqualität zusammenpassen. Die Studie verschiebt die PHB-Produktion deshalb noch nicht in die industrielle Praxis, erweitert aber die Werkzeuge für die Arbeit an einfacheren biobasierten Kunststoffprozessen.
ag
