Terpene sind Naturstoffe, die in vielen Pflanzen enthalten sind. Diese weitverbreiteten chemischen Verbindungen besitzen vielfältigste Eigenschaften, die vor allem in der Pharma- und Kosmetikbranche begehrt sind. Dazu gehören neben ätherischen Ölen, Aromastoffe und Wirkstoffe, die entzündungs- und krebshemmend sind. Die Nachfrage nach solchen Naturstoffen ist groß. Terpene im Labor nachzubilden, ist jedoch mühsam – denn der Syntheseweg ist aufwendig und die Ausbeute am Ende eher gering. Hier setzt das Projekt BioFlex an, das im Rahmen der Fördermaßnahme „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltstoffe“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 2017 bis 2020 mit insgesamt 900.000 Euro gefördert wurde.
Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens, das eine flexible und effiziente Bioproduktion von Terpenen ermöglicht. An dem Vorhaben beteiligt waren die Dechema - Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sowie als Industriepartner, die Phytowelt Green Technologies GmbH.
Bakterium als Terpenproduzent
Als Biofabrik zur Herstellung der Terpene diente dem Team der vielseitige Mikroorganismus Cupriavidus necator. Das Besondere des Bakteriums: Im Vergleich zu anderen in der Bioproduktion etablierten Organismen kann c. necator mit verschiedenen Kohlenstoffquellen arbeiten. „Normale Bakterien brauchen dafür in der Regel Zucker. C. necator hat den großen Vorteil, dass er mit Zucker und Kohlendioxid (CO2) gleichermaßen arbeiten kann. Wenn man also einen Organismus hat, der nicht nur CO2 einsparen, sondern sogar verbrauchen kann, ist das von Vorteil für die Biokatalyse und kann gleichzeitig einen Beitrag leisten, die Erderwärmung zu bremsen“, erklärt Guido Jach von der Phytowelt. Der Organismus nutzt also Kohlenstoffquellen wie CO2 als Energiequelle, um daraus Biomasse wie Terpene herzustellen.
Im Fokus des Projektes stand die Produktion von Humulen – einem Terpen-Molekül, das über Aroma-Eigenschaften, aber auch entzündungs- und krebshemmende Eigenschaften verfügt und somit als Aroma- und Pharmawirkstoff, sowie Lebensmittelzusatzstoff interessant ist. Bislang gibt es jedoch noch kein Verfahren, das dieses Terpen in ausreichender Menge produziert. Dieser Herausforderung stellte sich das BioFlex-Team.
Pflanzliche Biokatalysatoren identifiziert
Aufgabe der Forschenden um Jach war es, die geeigneten pflanzlichen Biokatalysatoren zur Herstellung der Terpene zu charakterisieren und den Syntheseweg zu optimieren. „Das ist ein fünfstufiger Syntheseweg. Und für jeden Schritt haben wir geschaut, welche Enzyme aus welcher Pflanze am besten funktionieren und wie sie sich kombinieren lassen, damit das ganze System optimal läuft“, erläutert Jach. Bei der Auswahl der pflanzlichen Enzyme konzentrierte sich Phytowelt, als Spezialist für pflanzliche Biokatalysatoren, auf jene Pflanzen, von denen bereits bekannt war, dass sie Terpene herstellen können. Entscheidend war hier, dass C. necator mithilfe der Enzyme das für die Terpen-Herstellung erforderliche Zwischenprodukt Isopentenyl-Pyrophosphat ausgehend von Acetyl-CoA produziert.
„Im Ergebnis hatten wir vier Biokatalysatoren aus drei verschiedenen Pflanzen“, sagt Jach. Als beste Variante habe sich am Ende eine Kombination von Biokatalysatoren aus Pappeln, Tomaten und der Modellpflanze Ackerschmalwand erwiesen. Dieser pflanzliche Enzym-Mix wurde dann in den Mikroorganismus C. necator eingebracht, damit dieser Humulen herstellt. Ohne weiteres funktionierten die pflanzlichen Enzyme in dem Plattformorganismus allerdings nicht. „Der Biokatalysator aus der Pflanze ist ja ein ganz anderes Umfeld gewöhnt. Das heißt, man muss ihn verändern und das, in jedem einzelnen Schritt bis alles zusammen funktioniert“, so Jach.
Biologisches und elektrisches System kombiniert
Damit die pflanzlichen Enzyme die gewünschten Reaktionen katalysieren, benötigen diese Unterstützung in Form so genannter Kofaktoren. Diese wurden im Rahmen des Projektes von dem Dechema-Team bereitgestellt. „Der Biokatalysator braucht Treibstoff durch den Kofaktor. Das Problem ist, dass diese Kofaktoren in biologischen Systemen, also in der Zelle, ständig nachgebildet werden können. Wenn man sie im Reagenzglas nachbilden will, sind die Ingredienzien sehr teuer“, erklärt Jach. Im Projekt wurde daher versucht, das biologische System mit einem elektrischen System zu kombinieren, um von den teuren Kofaktoren unabhängig zu sein. Diese Aufgabe übernahm das Fraunhofer-Team. „Die Dresdner Kollegen haben ein Gebäude geschaffen, wo man leicht Elektronen an jedes einzelne Bakterium heranbringen kann.“ Dabei handelt es sich um einen Metallschwamm, der mittels einer speziellen Methode aufgeschäumt und in dessen Hohlräume das Bakterium eingebracht und damit in die Nähe der Elektroden gebracht wird, um die Biokatalyse von Humulen anzutreiben.
Forschung am Biosyntheseweg geht weiter
Das Ergebnis: „Das Wunschterpen haben wir tatsächlich in C. necator hergestellt und das mit einer Menge von 2 Gramm pro Liter. Das funktionierte auch mit dem eingebauten Biosyntheseweg“, resümiert Jach. Das BioFlex-Team konnte so einen Syntheseweg in C. necator etablieren, der auch für die Herstellung anderer Naturstoffe geeignet wäre. Doch es gibt noch Handlungsbedarf. „Das biologische Prinzip durch ein elektrisches zu ersetzen, funktioniert zwar. Aber es ist noch nicht so effizient wie die Natur das kann.“ Gemeinsam mit der Dechema wird die Forschung an C. necator zur Terpenherstellung daher im neuen BMBF-Projekt ProNecator fortgesetzt. Ziel ist es, die Effizienz des Biosynthesewegs weiter zu verbessern und einen Produktionsorganismus zu entwickeln, der Humulen auch im großen Maßstab herstellt.
Autorin: Beatrix Boldt
