Neue Impulse für die Elektrobiotechnologie

Dass Bakterien mit Elektroden interagieren können, fand ich von Anfang an faszinierend. Zunächst hatte man nur im Blick, diese Interaktion auszunutzen, um etwa elektrischen Strom aus mikrobiellen Prozessen zu gewinnen, zum Beispiel Strom aus Abwasser mit Mikrobiellen Brennstoffzellen. Aber nun arbeiten wir auch daran, diese Interaktion für die Biotechnologie zu nutzen, also die Herstellung von Enzymen oder Biochemikalien. Hier ergeben sich Chancen, auf ganz neue Art und Weise in den Energiehaushalt von Bakterien einzugreifen und diesen neu auszurichten. Dabei ist das gesamte Thema sehr interdisziplinär – es geht um die Biologie und Biochemie der Zellen, aber auch Elektrochemie und Verfahrenstechnik – das macht es sehr spannend!

Für die meisten derzeitigen Prozesse ist Sauerstoff kein Problem, er ermöglicht eine einfache und sehr erfolgreiche Energieproduktion in den Bakterien. Aber es gibt zum einen Prozesse, wo die notwendige Einbringung von Sauerstoff ein technisches Problem wird, da zum Beispiel die Produkte zu starkem Schäumen tendieren oder die Biomasse hochviskos wird. Zum anderen gibt es in der Natur viele Metabolite oder auch Enzyme, die durch Sauerstoff schnell inaktiviert werden. Ein Großteil der Bakterien in der Umwelt lebt ohne Sauerstoff – anaerob. Ich denke, dass wir derzeit ein großes molekulares Potenzial dieser anaeroben Welt technologisch unangetastet lassen, weil wir keine skalierbaren technologischen Prozesse für sauerstoffsensible Produkte haben. In gängigen anaeroben Fermentationsprozessen erhalten die Zellen meist deutlich weniger Energie und es können vornehmlich Produkte des Primärstoffwechsels gebildet werden.

Wir wollen die Elektronen über eine Elektrode ableiten – aber nicht „verkabeln“, also direkt über Redoxenzyme an die Elektrode binden – wie das einige Kollegen vorhaben und tun –, sondern „wireless“, über lösliche Redoxmediatoren, die als Taxis für die Elektronen dienen. Die große Herausforderung wird aber sein, diesen Elektronentransport nach außen innerhalb der Zelle mit einer Energiegewinnung – sprich ATP-Produktion – zu verknüpfen. Hier wird unsere Forschung erst zeigen, was die besten Strategien sein werden.

Für diesen neuen biotechnologischen Prozesse bedarf es am Ende zweier verschiedener mikrobiologischer Synthesen: die Produktion der Redoxmediatoren als Elektronentransfer-Taxis und die Produktion unseres Zielproduktes. Da auch die Synthese der Redoxmediatoren schon auf komplexen Synthesewegen mit mehreren Enzymen beruht, stellt diese Aufgabe schon eine Belastung für die Zelle dar. Wir werden daher testen, ob noch genug Spielraum in dieser Zelle gegeben ist, um effektiv das Zielprodukt zu bilden, oder ob eine Arbeitsteilung mit zwei Zellpopulationen nicht effizienter ist: eine macht den Redoxmediator und die andere nutzt diesen zur Elektrodenatmung und Produktbildung. Natürlich muss man dann auch untersuchen, wie sich diese Populationen beeinflussen und Strategien entwickeln, wie man beide stabil miteinander kultivieren kann.

Es gibt zwei Arten von anaerobem Stoffwechsel: Fermentation und anaerobe Atmung. Wir nutzen den anaeroben Fermentationsstoffwechsel weitläufig für die Produktion von Metaboliten des Zentralstoffwechels dieser Organismen, etwa Ethanol und Methan. Da diese Organismen nur Energie über den Substratstoffwechsel gewinnen können – nicht über Atmung –, treiben sie ihren Stoffwechsel hoch und die Überflussmetabolite sind wichtige Biotech-Produkte. Da in diesen Organismen aber wenig ATP zur Verfügung steht, sind andere Syntheseaufgaben – zum Beispiel von Enzymen – mit diesem Energiestoffwechsel eher nicht möglich. Eine anaerobe Atmung, besonders mit Nitrat als Elektronenakzeptor, würde deutlich mehr Energie liefern, hätte aber den großen Nachteil, dass dem Substrat angepasste Mengen an Nitrat zugegeben werden müssten, welches als Produkt Ammonium liefert. Und Ammonium ist das eigentliche Problem, wenn es im Überfluss vorkommt: Es verändert den pH-Wert stark, es kann toxisch für die Bakterien werden, und es stellt einen kritischen Parameter für die Abwasserreinigung dar. Letzter Punkt wird zwar erst bei sehr großen Produktionsanlagen relevant, aber er zeigt, dass eine Nitratatmung technisch nicht unproblematisch skalierbar ist. Dagegen würden bei einer Elektrodenatmung keine toxischen oder problematischen Nebenprodukte gebildet.

Ja, wie bereits erwähnt hoffen wir, durch die neue anaerobe Elektrodenatmung Zugang zu sauerstoffsensiblen Metaboliten und Enzymen in einem technischen Maßstab zu erhalten. Bisher ist dies nur in kleinen, nicht skalierbaren Kultivierungen und häufig im natürlichen Produzenten möglich. Wenn eine Elektrodenatmung einem bereits optimierten Biotech-Stamm etabliert ist, könnten hiermit größere Mengen dieser Zielprodukte hergestellt werden.

Interview: Björn Lohmann