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Plastik ist ein langlebiges und vielseitig einsetzbares Material. Doch die Langlebigkeit der erdölbasierten Kunststoffe ist Segen und Fluch zugleich, da Plastikmüll die Umwelt schwer belastet. Eine Alternative sind biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe, die statt aus Erdöl aus nachwachsenden Rohstoffen oder biogenen Reststoffen hergestellt werden. Tübinger Forschende bringen nun einen neuen Akteur als Bioplastik-Fabrikanten ins Spiel: Cyanobakterien. Die auch als Mikroalgen oder Blaualgen bezeichneten Mikroorganismen haben die Fähigkeit, Bioplastik in Form von Polyhydroxybutyrat – kurz PHB – auf natürliche Weise herzustellen. PHB kann in der Natur wiederum durch Bakterien, Pilze oder Algen abgebaut werden.
PHB-Produktion im Bakterium auf 80% gesteigert
Einem Team um Karl Forchhammer vom Interfakultären Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin der Universität Tübingen ist es nun gelungen, den Stoffwechselweg von Cyanobakterien der Gattung Synechocystis so zu verändern, dass sie den Naturstoff PHB in so großen Mengen produzieren, dass eine industrielle Nutzung möglich ist. Die Ergebnisse wurde in den Fachjournalen "Microbial Cell Factories" und "PNAS" veröffentlicht. Den Studien zufolge wurde in den Bakterien ein Protein identifiziert, das den Kohlenstofffluss in Richtung PHB innerhalb der Bakterienzelle drosselt. Nach dem Entfernen des entsprechenden Regulators sowie weiterer genetischer Veränderungen sei die von den Bakterien produzierte PHB-Menge so enorm gestiegen, dass sie schließlich über 80% der Gesamtmasse der Zelle ausgemacht habe. „Wir haben regelrechte Plastikbakterien erschaffen“, sagt Moritz Koch, Erstautor der Studie, die im Fachjournal "Microbial Cell Factories" veröffentlicht wurde.
Optimale Akteure für nachhaltige Bioplastik-Produktion
Den Forschenden zufolge kann das aus den Bakterien gewonnene PHB ebenso wie der herkömmliche Kunststoff Polypropylen eingesetzt werden, ist aber in der Umwelt schnell sowie schadstofffrei abbaubar. Da Cyanobakterien lediglich Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht zum Wachsen brauchen, sind sie den Forschenden zufolge „optimale Akteure für eine klimaschonende und nachhaltige Produktion“. „Einmal in der Industrie etabliert könnte die gesamte Kunststoffproduktion revolutioniert werden“, sagte Koch. Die Tübinger wollen den Einsatz der Bakterien nun weiter optimieren und so weit skalieren, dass ein großtechnischer Einsatz der bakteriellen Bioplastik-Fabriken möglich wird.
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Plastic is a durable and versatile material. But the longevity of petroleum-based plastics is both a blessing and a curse, as plastic waste severely pollutes the environment. One alternative is biobased and biodegradable plastics, which are made from renewable raw materials or biogenic residues instead of petroleum. Researchers from Tübingen are now bringing a new player into play as a bioplastics manufacturer: cyanobacteria. Also known as microalgae or blue-green algae, these microorganisms have the ability to naturally produce bioplastics in the form of polyhydroxybutyrate (PHB). PHB can in turn be degraded in nature by bacteria, fungi or algae.
PHB production in the bacterium increased to 80%
A team led by Karl Forchhammer of the Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine at the University of Tübingen has now succeeded in modifying the metabolic pathway of cyanobacteria of the genus Synechocystis in such a way that they produce the natural substance PHB in such large quantities that industrial use is possible. The results were published in the scientific journals "Microbial Cell Factories" and "PNAS". According to the studies, a protein was identified in the bacteria that throttles the flow of carbon towards PHB within the bacterial cell. After removing the corresponding regulator, as well as other genetic modifications, the amount of PHB produced by the bacteria increased so enormously that it eventually accounted for more than 80% of the cell's total mass, they said. "We have created veritable plastic bacteria," says Moritz Koch, first author of the study, which was published in the journal "Microbial Cell Factories."
Optimal players for sustainable bioplastics production
According to the researchers, the PHB produced from the bacteria can be used in the same way as the conventional plastic polypropylene, but is rapidly degradable in the environment, as well as pollutant-free. Since cyanobacteria only need water, carbon dioxide and sunlight to grow, they are "optimal players for climate-friendly and sustainable production," according to the researchers. "Once established in industry, the entire production of plastics could be revolutionized," Koch said. The Tübingen researchers now want to further optimize the use of the bacteria and scale it up to the point where large-scale use of bacterial bioplastic factories becomes possible.
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