Das Bakterium Cupriavidus necator kann Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle nutzen und daraus den Biokunststoff Polyhydroxybutyrat, kurz PHB, bilden. Dass das Bakterium dazu CO₂ und Wasserstoff nutzt, ist seit Langem bekannt. Der Wasserstoff liefert dabei die nötige Energie. Gerade hier lag bislang ein Problem: Wasserstoff ist in der Nährlösung nur begrenzt löslich und gelangt deshalb nicht ohne Weiteres in ausreichender Menge zu den Bakterien. Außerdem müssen bakterieneigene Enzyme den Wasserstoff zunächst nutzbar machen, bevor C. necator ihn als Energiequelle verwenden kann. Dieser Schritt läuft vergleichsweise langsam. Ein Team der Zhejiang University und weiterer chinesischer Forschungseinrichtungen hat deshalb direkt an der Oberfläche von C. necator angesetzt. Die Studie ist im Fachjournal Nature Communications erschienen.

Eisenatome helfen bei der Wasserstoffnutzung

Die Bakterien wuchsen im Labor in einer Nährlösung. Für den Versuch befestigten die Forschenden winzige poröse Kohlenstoffteilchen an ihrer Oberfläche. In diesen Teilchen sitzen einzelne Eisenatome. Sie können die Bindung zwischen den beiden Atomen eines Wasserstoffmoleküls schwächen und es dadurch leichter aufspalten. Damit erleichtern die Eisenatome einen Schritt, den normalerweise bakterieneigene Enzyme übernehmen. So steht dem Bakterium die Energiequelle besser für seinen Stoffwechsel zur Verfügung.

Die mit Eisenatomen ausgestatteten Bakterien produzierten rund ein Gramm PHB pro Liter Nährlösung. Das war unter den Versuchsbedingungen rund doppelt so viel wie bei den Vergleichsbakterien ohne Oberflächenmodifikation. Wurden die Kohlenstoffteilchen mit den Eisenatomen lediglich in die Nährlösung gegeben, statt sie an der Zellhülle zu befestigen, stieg die PHB-Menge von 529 auf 849 Milligramm pro Liter. Durch die direkte Befestigung an der Zelloberfläche erhöhte sie sich weiter auf 1.059 Milligramm pro Liter. Das zeigt, dass die Teilchen auch frei in der Nährlösung wirken, die direkte Nähe zur Zelle den Effekt aber noch verstärkt.

Neue Stellschraube für die Bioplastikproduktion

Statt also den Mikroorganismus selbst zu verändern oder Nährlösung und Versuchsaufbau anzupassen, setzen die Forschenden direkt an der Zelloberfläche an. Dort verbessern die Eisenatome die Nutzung des Wasserstoffs und steigern so die Produktionsleistung der Bakterien. Darin liegt auch die weitergehende Bedeutung der Arbeit. Bei Verfahren, die Mikroorganismen mit CO₂ und Wasserstoff versorgen, ist nicht allein entscheidend, welche Stoffe vorhanden sind. Ebenso wichtig ist, wie gut die Zellen sie nutzen können. Die Studie zeigt, dass sich dafür auch die unmittelbare Umgebung der Bakterienzelle gezielt verändern lässt.

Der Versuch fand im Labor statt. Ob sich das Verfahren auch im größeren Maßstab umsetzen lässt, muss sich erst noch zeigen. Auch der genaue Weg, auf dem die aufgespaltenen Bestandteile des Wasserstoffs von der Zellhülle in den Stoffwechsel gelangen, ist noch nicht vollständig geklärt. Dennoch sehen die Forschenden in der gezielten Veränderung der Bakterienoberfläche eine Strategie, die sich grundsätzlich auch auf andere biotechnologische Produktionsprozesse übertragen lassen könnte.

js