Holz, Stroh und andere Pflanzenreste sind reich an Cellulose. Für Bioraffinerien ist dieser Kohlenhydratspeicher interessant, weil sich daraus Zucker gewinnen lassen, die Mikroorganismen weiter zu Chemikalien, Materialien oder Kraftstoffen verarbeiten können. Der erste Schritt bleibt jedoch anspruchsvoll. Cellulose ist in der pflanzlichen Zellwand fest eingebaut und muss mit geeigneten Enzymen aufgeschlossen werden. Solche Enzyme heißen Cellulasen. Ein Team der Universität Neapel Federico II hat nun zwei neue bakterielle Kandidaten für diesen Prozess genauer untersucht.

Suche in Kompost und Bambusunterwuchs

Für das Screening untersuchten die Forschenden 48 Isolate. 24 stammten aus reifem Kastanienkompost, 11 aus Bambusunterwuchs, also Boden und Pflanzenmaterial eines Bambuswaldes. Weitere 13 Stämme kamen aus einer internen Sammlung des Fachbereichs und waren zuvor aus anderen lignocellulosehaltigen Biomassen gewonnen worden. Im ersten Screening wuchsen die Isolate auf Nährböden mit Carboxymethylcellulose, kurz CMC. Das ist eine gut lösliche Cellulose-Variante, mit der sich Cellulase-Aktivität sichtbar machen lässt. Mehr als die Hälfte der Isolate bildete deutliche Abbauhöfe von mehr als 20 Millimetern.

Dieser Plattentest allein reicht jedoch nicht aus. Manche Mikroorganismen können CMC abbauen, scheitern aber an realistischeren Celluloseformen. Deshalb prüfte das Team ausgewählte Stämme zusätzlich mit Arundo donax, einem Riesenschilf, sowie mit Avicel, einer mikrokristallinen Cellulose. Besonders im Fokus standen danach Streptomyces olivaceus C1_7A und Bacillus thuringiensis FBB7BB. Der Streptomyces-Stamm zeigte auf Arundo donax und Avicel die deutlich höhere Endoglucanase-Aktivität. Endoglucanasen schneiden Celluloseketten im Inneren an und machen sie dadurch für weitere Abbauschritte zugänglich.

Zwei Wege zum Celluloseabbau

Genome und Enzymtests zeigten, dass die beiden Bakterien Cellulose auf unterschiedliche Weise angreifen. Streptomyces olivaceus C1_7A besitzt ein besonders breites Set an Genen für Enzyme, die komplexe Kohlenhydrate zerlegen können. Das spricht für eine umfassendere Ausstattung zum Abbau pflanzlicher Zellwandbestandteile. Bacillus thuringiensis FBB7BB war genetisch schmaler aufgestellt, zeigte aber ebenfalls mehrere nützliche Aktivitäten, unter anderem gegen Cellulose, Xylan und Pektin.

Anschließend prüften die Forschenden beide Stämme im kleinen Bioreaktor. Dort produzierten beide Bakterien messbare Mengen des Cellulose-spaltenden Enzyms Endo-1,4-β-Glucanase. Der Bacillus-Stamm reagierte besonders schnell und erreichte seinen Höchstwert schon nach wenigen Stunden. Der Streptomyces-Stamm brauchte deutlich länger, kam am Ende aber auf eine etwas höhere Enzymaktivität. Eine höhere Menge der löslichen Cellulose-Variante CMC verbesserte die Produktion nicht, sondern senkte sie eher. Die Forschenden führen das unter anderem darauf zurück, dass die Nährlösung zähflüssiger wurde und Stoffe schlechter transportiert wurden.

Die Studie bleibt damit klar im Labormaßstab. Die untersuchten Wildtyp-Stämme wurden nicht für industrielle Bedingungen optimiert. Nächste Schritte wären vor allem die Optimierung der Prozessbedingungen, etwa pH-Regelung, Substratkonzentration und Nährstoffversorgung.

ag