Welche Biologie ist möglich, wenn das Beste aus zwei Welten vereint wird?

Schon in der Schule wurde mir klar: Ohne Mikroorganismen gäbe es uns nicht, weil sie unsere Lebensbedingungen auf der Erde geformt haben. Sie haben den Sauerstoff in unsere Atmosphäre gebracht und machen Stickstoff für Pflanzen erst verfügbar. Denn es gibt Mikroorganismen, die können, was zu meinen zwei großen Lieben in meiner Forschung geworden ist: einerseits Stickstoff aus der Luft fixieren und andererseits CO₂ binden. 
Für Klima und nachhaltige Wirtschaft ist beides hochrelevant. Die biologische Stickstofffixierung ist einzigartig. Etwa jedes dritte Stickstoffatom in unserer Nahrung stammt letztlich aus mikrobiellen Prozessen wie Symbiosen in Wurzelknöllchen von Pflanzen. Zu verstehen, wie diese Symbiosen funktionieren, liefert grundlegendes Wissen, auf dem angewandte Forschung für eine nachhaltige Landwirtschaft aufbauen kann. Darüber hinaus sind Mikroorganismen für etwa die Hälfte des globalen biologischen CO₂-Umsatzes verantwortlich. Sie können Treibhausgase freisetzen oder binden. Wenn wir verstehen, wie sie das tun, können wir CO₂ aus Industrieabgasen als Rohstoff nutzen und so nachhaltig Chemikalien herstellen.  
Meine Arbeit begann mit bakterieller Genetik, darunter Genregulationsnetzwerke. Heute fasziniert mich, wie Zellen unter Stress Ressourcen managen und wie sie ihre Fixierungs-Maschinen betreiben. In unserem Forschungszentrum und im Exzellenzcluster wollen wir diese Mechanismen verstehen, um robuste Systeme zu entwickeln – für Klimaschutz und nachhaltige Biotechnologie.

SYNMIKRO ist ein globaler Hotspot für die mechanistische Mikrobiologie: In Marburg arbeiten über 350 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, Mikroorganismen mechanistisch zu verstehen, also im Detail zu entschlüsseln, wie ihre genetischen und biochemischen Netzwerke funktionieren. Im Exzellenzcluster M4C fragen wir uns: Wie sind die heute existierenden CO₂-Umwandlungsprozesse in der Evolution in Mikroorganismen entstanden? Wie reagieren Mikroorganismen auf Klimawandel? Wie beeinflussen sie ihn? Und wie können wir sie gezielt nutzen? 
Der Beitrag meiner Arbeitsgruppe ist dabei die Entwicklung sogenannter „Chassis“-Bakterien – optimierter Grundorganismen. Diese dienen als Plattform für die Entwicklung und den Einbau evolutionär sehr alter oder komplett neuer Stoffwechselwege zur Bindung von CO₂, die im Exzellenzcluster rekonstruiert oder entwickelt werden. Im Cluster denken wir also Konzepte für besonders effiziente biologische Hardware, die CO₂ als Rohstoff für die Produktion nützlicher Chemikalien verfügbar macht, völlig neu. Die Wissenschaftler des Exzellenzclusters vereinen Evolutionsbiologie, Computerbiologie, molekulare Mikrobiologie und synthetische Biologie. Wir fragen letztendlich: Welche Biologie ist möglich? Und wie sah die Biologie vor langer Zeit zum Beginn des Lebens aus? Können wir von dieser alten Biologie auch heute noch etwas lernen und sie für die Zukunft anwenden?

Stellen Sie sich eine Großstadt vor mit vielen verschiedenen Umgehungs- und Nebenstraßen. Das wäre jetzt der Stoffwechsel der Zelle.  Wenn wir genetisch eingreifen, entspricht das einer Baustelle im Stadtzentrum. Wird etwa eine Straße gesperrt – also ein Gen entfernt –, entstehen Umleitungen. Neue Straßen – also eingebaute Stoffwechselwege – verändern den Verkehrsfluss. Und Ampeln – genetische Schalter – regulieren, wann und wie stark bestimmte Prozesse ablaufen. 
Die Herausforderung: Die Zelle ist das Ergebnis einer Milliarden Jahre laufenden Evolution. Alles ist mit allem verbunden und fein aufeinander abgestimmt. Jeder Umbau kann Wachstumsprobleme der Zelle oder Stress im Stoffwechsel verursachen, quasi einen Stau im Stadtzentrum. Das ist die größte Herausforderung, hier die Balance zu finden und den Verkehr in die richtigen Richtungen fließen zu lassen. Deshalb entwickeln wir neue Werkzeuge, um die Auswirkungen der „Baustellen“ in der Zelle präzise zu verstehen und gezielt zu steuern, auch damit ein Prozess robust und effizient wird. Die akademische Frage meiner Arbeitsgruppe lautet dabei auch: Wie passen sich die Bakterien an störende Faktoren in ihrer Umwelt an, wie zum Beispiel Hitze- und Trockenstress, oder Nährstoffmangel?

Die Vereinigung des Besten aus diesen zwei Welten ist für mich der Schlüssel zum Erfolg, weil sie die Effizienz und Erfolgschancen erhöht: Die akademische Sicht bringt tiefes Verständnis gemäß dem Motto „Warum und wie funktioniert‘s?“, während das aus Industriesicht nicht unbedingt verstanden werden muss, solange es funktioniert. Die Industrie hat ein klares Ziel und achtet auf einen effizienteren Entwicklungsprozess. Rationales Engineering braucht aber beides, weil beispielsweise ein reiner Trial-and-Error-Standardansatz ohne tieferes Verständnis ins Leere laufen kann. 
Beispiel einer erfolgreichen Zusammenarbeit: Gemeinsam mit Partnerinstituten und der BASF und Partnerinstituten haben wir das Ziel im Projekt FUMBIO CO₂ durch ein besonderes Bakterium in die Plattformchemikalie Fumarat umzuwandeln. Da dieses Bakterium erst 2008 aus dem Pansen eines Rinds isoliert und noch wenig erforscht wurde, fehlte zunächst der molekularbiologische Werkzeugkasten, um überhaupt mit ihm effizient gezielt arbeiten zu können. Wir konnten hier nun Werkzeuge entwickeln, die gezielte Eingriffe in den Stoffwechsel ermöglichen, während unsere Partner verschiedene Stoffwechselszenarien modellieren sowie den Fermentationsprozess optimieren und die anschließende Weiterverarbeitung des Fumarats durch Biokatalyse entwickeln.

Der Klimawandel ist einer der größten Herausforderungen, die wir haben, und wir werden ihn nicht mit einer einzigen Lösung und ohne Verhaltensänderungen in den Griff bekommen. Wir müssen offen sein für viele verschiedene Ansätze, die zusammen das Gesamtproblem lösen. Ich bin davon überzeugt, dass Mikroorganismen Teil der Lösung sind, ihr großes Potenzial aber noch vernachlässigt wird. Sie haben eine so große biochemische Diversität wie keine andere Organismengruppe auf der Welt. Mein Plädoyer daher: Investieren Sie in mehr Grundlagenforschung zu den biochemischen und zellulären Prozessen in Mikroorganismen bis hin zu ihrer Rolle in natürlichen und bewirtschafteten Ökosystemen – interdisziplinär und langfristig. Unterstützen Sie die Zusammenarbeit zwischen akademischer Forschung und  Industrie und erleichtern Sie diese durch weniger bürokratische Hürden.

Das Interview führte Tamara Worzewski