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27.04.2020

Neue mikrobielle Biofabriken erschließen

Ein neues Forschungsprojekt möchte biotechnologisch bislang weitgehend unbeachtete Bakterien auf ihre Tauglichkeit für die Bioindustrie untersuchen.

Das „Respiration Activity Monitoring System“ (RAMOS) dient der Untersuchung des Wachstums von anaeroben Bakterien.
Das „Respiration Activity Monitoring System“ (RAMOS) dient der Untersuchung des Wachstums von anaeroben Bakterien.
Quelle: 
J. Büchs (RWTH Aachen)

Mikroben können mehr – unter dieses Motto könnte man die Fördermaßnahme „Mikrobielle Biofabriken für die Industrielle Bioökonomie“ des Bundesforschungsministeriums stellen. Ziel ist es, bislang nicht industriell genutzte Mikroorganismen zu identifizieren und dahingehend zu optimieren, dass neuartige Produkte oder Prozesse möglich werden. Bakterien aus der Gruppe der Bacteroidetes könnten dieses Potenzial besitzen. Das Projekt „BaPro“ will es jetzt erschließen.

Weit verbreitet, aber wenig beachtet

Bacteroidetes-Bakterien sind in der Umwelt weit verbreitet und stellen auch den größten Anteil der menschlichen Darmflora. Weil die meisten dieser Bakterien anaerob, also in sauerstofffreien Umgebungen leben, sind sie im Labor schwierig zu kultivieren und vielleicht deswegen bislang von der Biotechnologie weitgehend ignoriert worden. „Die mikrobiologischen Gruppen im Projekt arbeiten seit einigen Jahren mit diesen Bakterien“, erzählt der Koordinator des Verbunds, Uwe Deppenmeier von der Universität Bonn. Dadurch sei über den Stoffwechsel und die Biochemie der Mikroorganismen schon einiges bekannt und das Projekt müsse nicht bei Null beginnen.

Das ist auch gut so, denn die Projektpartner, zu denen neben den Mikrobiologen ebenso Spezialisten der Genom- und Proteomforschung und der Verfahrenstechnik zählen, möchten sowohl Grundlagenwissen etablieren als auch erste biotechnologische Prozesse im Labormaßstab erproben. Ein weiter Weg für die drei Jahre Laufzeit des mit 3,3 Mio. Euro finanzierten Projekts, von dem sich die Projektpartner jedoch einiges versprechen: „Wir wissen, dass diese Bakterien einen großen Einfluss auf die Darmflora haben, weil sie sowohl probiotische Eigenschaften besitzen können als auch antibakteriell wirksame Peptide produzieren“, begründet Deppenmeier das Interesse an den Bacteroidetes, deren Enzyme Ballaststoffe abbauen und so einen wichtigen Beitrag zur Verdauung leisten. Außerdem bilden die Mikroben auf diesem Weg mit Succinat und Propionat zwei Basischemikalien, für die sich die chemische Industrie interessiert.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Prevotella copri, einem wichtigen Vertreter der Bacteroidetes Bakterien im menschlichen Darm.
Quelle: 
T. Franke und H.-J. Ensikat (IfMB, Uni Bonn)

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Prevotella copri, einem wichtigen Vertreter der Bacteroidetes-Bakterien im menschlichen Darm.

Mehrere Produktgruppen im Blick

Insgesamt haben die Projektpartner fünf Teilprojekte identifiziert, um für die Produktion der jeweiligen Verbindungen geeignete Bakterienstämme zu finden und zu erproben. Die erste Aufgabe besteht darin, die Zahl der verfügbaren und charakterisierten Stämme zu vergrößern. Dazu möchten die Mikrobiologen neue Stämme aus unterschiedlichsten Quellen – vom Meer bis zum Elefantendarm – isolieren, anreichern und charakterisieren. Zusätzlich sollen bestehende Stammsammlungen und Datenbanken ausgewertet werden.

Auf dieser Grundlage werden sich die weiteren Teilprojekte auf bestimmte Stoffwechselprojekte konzentrieren. Die erste Gruppe bilden Probiotika und antimikrobielle Peptide. Wie die Bakterien mit ihrem Wirt im Darm interagieren, ist im Detail weitgehend unverstanden und ein Forschungsgegenstand von „BaPro“. Letztlich möchten die Wissenschaftler herausfinden, welche Stämme für probiotische oder therapeutische Anwendungen besonders geeignet sind.

Anwendung von Nahrungsergänzung über Antibiotika bis zum Duftstoff

Im nächsten Teilprojekt geht es um Polyphenol-Derivate, zu denen Flavonoide und Tannine zählen. Polyphenole spielen wichtige Rollen im menschlichen Stoffwechsel als Antioxidantien, Stimulatoren des Immunsystems, Blutdruckregulatoren, sie haben eine krebshemmende Wirkung und weitere Funktionen. Später denkbare industrielle Anwendungen reichen von Nahrungsergänzungsmitteln bis hin zu neuen Ansätzen für Antibiotika.

Bioaktive Phenolsäuren bilden einen weiteren Schwerpunkt des Forschungsvorhabens. Diese Stoffe stehen in Verbindung mit der menschlichen Gesundheit und entstammen in der Ernährung teilweise pflanzlichen Quellen, teilweise der mikrobiellen Fermentation im Darm. Hier wäre somit ebenfalls eine Produktion von Nahrungsergänzungsmitteln denkbar, und in modifizierter Form dienen Phenolsäuren auch als Duft- und Geschmacksstoffe.

So sieht das Untersuchungssystem für die Analyse von Stoffwechselendprodukten der Bacteroidetes aus.
Quelle: 
M. Hövels (IfMB, Uni Bonn)

Das Untersuchungssystem für die Analyse von Stoffwechselendprodukten der Bacteroidetes

Grundstoffe für Biokunststoffe

Nicht zuletzt befassen sich die Projektpartner mit der Produktion von Massenchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen mithilfe von Bacteroidetes-Stämmen. Bernsteinsäure (Succinat) ist zum Beispiel Ausgangsstoff für nachhaltige Biokunststoffe und laut US-Energieministerium eine der zwölf wichtigsten biobasierten Plattformchemikalien. Propionat wird als Konservierungsmittel und bei der Herstellung von Herbiziden, Pharmazeutika sowie Kunststoffen eingesetzt.

Projektpartner im Forschungsverbund BaPro

Prof. W. Streit, Universität Hamburg; Prof. U. Deppenmeier, Universität Bonn; Prof. R. Schmitz-Streit, Universität Kiel; Prof. M. Basen, Universität Rostock; Prof. R. Rabus, Universität Oldenburg; Prof. J. Büchs, RWTH Aachen; Dr. T. Polakowski, Novozymes, Berlin;

Bevor es aber tatsächlich darangeht, den Bakterienstoffwechsel von geeigneten Stämmen zu optimieren und Fermentationsprozesse zu entwickeln, die sich für industrielle Zwecke anwenden lassen, müssen die Forscher noch viel Grundlagenarbeit leisten. Protokolle und Methoden, um diese Bakterien zu kultivieren und gentechnisch zu optimieren, existieren kaum und müssen entwickelt werden. Erste Erfolge können die Projektpartner zwar bereits für sich verbuchen, doch infolge der Pandemieschutzmaßnahmen läuft das am 1. Februar 2020 gestartete Projekt nur langsam an. Noch aber bleiben „BaPro“ gut drei Jahre Zeit, das Potenzial für neuartige mikrobielle Biofabriken zu erschließen – groß ist es allemal.

Autor: Björn Lohmann

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