Biologisch abbaubare Kunststoffe: Eine nachhaltige Alternative

Die Produktion von Plastik ist weit verbreitet, aber nicht alle Kunststoffe sind gleich. Nicht abbaubare Kunststoffe aus fossilem Öl schaden unserem Planeten und den Ökosystemen. Um eine bessere Zukunft zu sichern, müssen wir die Produktion dieser traditionellen Kunststoffe begrenzen. Stattdessen können wir uns darauf konzentrieren, alternative Materialien zu verwenden, die biologisch abbaubar sind und sich natürlich in der Umwelt zersetzen.

Eine spannende Option in diesem Bereich ist eine Art biologisch abbaubares Plastik, das als Polyhydroxyalkanoate (PHA) bekannt ist. Im Gegensatz zu normalen Kunststoffen können PHAs von lebenden Mikroorganismen produziert werden, was sie zu einer guten Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen macht.

#Die Rolle von Cupriavidus necator H16

Ein bestimmtes Bakterium namens Cupriavidus necator H16 ist bekannt für seine Fähigkeit, PHAs zu produzieren. Dieses Bakterium hat mehrere Namen, wird aber als geeignete Option zur Herstellung von biologisch abbaubarem Plastik anerkannt. Eine der am meisten untersuchten Formen von PHA, die von diesem Bakterium hergestellt wird, ist Polyhydroxybutyrat (PHB). In Situationen mit niedrigem Nährstoffangebot produziert Cupriavidus necator H16 grosse Mengen an PHB, was einen erheblichen Teil des Zellgewichts ausmachen kann.

PHB wird in dem Bakterium durch einen mehrstufigen Prozess erzeugt, der drei Enzyme umfasst. Zuerst werden zwei Einheiten eines Moleküls namens Acetyl-CoA kombiniert, um ein anderes Molekül namens Acetoacetyl-CoA zu erzeugen. Dann reduziert ein spezielles Enzym dies zu 3-Hydroxybutyryl-CoA, das später von einem anderen Enzym in PHB umgewandelt wird.

#Die Struktur der PHB-Granulate

Innerhalb von Cupriavidus necator H16 wird das produzierte PHB in Granulaten gespeichert. Diese Granulate haben einen zentralen Kern aus PHB, der von Proteinen umgeben ist, die helfen, sie zu stabilisieren. Eine wichtige Gruppe dieser Proteine wird Phasine genannt. Sie helfen, ein Gleichgewicht zwischen dem Inneren des Granulats, das nicht wasserlöslich ist, und dem wässrigen Inneren der Zelle aufrechtzuerhalten. Ein spezielles Phasin, PhaP1, kommt häufig in den PHB-Granulaten dieses Bakteriums vor. Wenn PhaP1 fehlt, hat das Bakterium Schwierigkeiten, PHB effektiv anzusammeln.

Andere Proteine helfen, PHB bei Bedarf abzubauen. Zu verstehen, wie diese Granulate entstehen, ist wichtig, um herauszufinden, wie man PHB in grösseren Mengen für kommerzielle Anwendungen produzieren kann.

#Industrielle Produktion von PHB

Derzeit werden Bakterien wie Cupriavidus necator H16 und gentechnisch veränderte Stämme von E. coli zur industriellen Produktion von PHB eingesetzt. Um PHB effizient herzustellen, müssen diese Bakterien mit organischen Kohlenstoffquellen gefüttert werden, während die Nährstoffe begrenzt sind. Allerdings kann es teuer und nicht nachhaltig sein, sich auf organische Quellen für das Wachstum zu verlassen.

Deshalb suchen Forscher nach alternativen Wegen, wie die Nutzung von Abfallprodukten als Kohlenstoffquelle. Ein weiteres vielversprechendes Gebiet ist die Verwendung von Cyanobakterien, die PHB durch einen Prozess namens Fotosynthese produzieren können, wobei Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid genutzt werden. Dieser Prozess kann auch helfen, die CO2-Werte in der Atmosphäre zu senken.

#Cyanobakterien und PHB-Produktion

Cyanobakterien sind seit den 1960er Jahren bekannt dafür, PHB zu produzieren, aber die Mengen waren in der Regel niedrig. Studien an verschiedenen Cyanobakterien haben gezeigt, dass sie kleine Mengen an PHB ansammeln können, insbesondere wenn Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor begrenzt sind. Zum Beispiel kann eine bestimmte Cyanobacterienart namens Synechocystis sp. 6803 ihre PHB-Werte signifikant erhöhen, wenn Stickstoff knapp ist.

Forschung hat auch das Potenzial gentechnisch veränderter Cyanobakterien hervorgehoben, um die PHB-Produktion zu steigern. Das Ziel ist, Stämme zu entwickeln, die kontinuierlich PHB produzieren können, ohne von Bedingungen abhängig zu sein, die die Nährstoffe begrenzen.

#Entwicklung gentechnisch veränderter Cyanobakterien

In dieser Studie strebten die Forscher an, einen neuen Stamm von Cyanobakterien, Nostoc sp. PCC7120, zu schaffen, der von Natur aus kein PHB produziert, aber modifiziert werden könnte, um dies zu tun. Die Forscher verwendeten im Laufe der Zeit entwickelte Werkzeuge für genetische Modifikationen.

Da Nostoc sp. PCC7120 eine natürliche Fähigkeit hat, sich zusammenzuballen, könnte es ideal für eine einfache Ernte in einem industriellen Setting sein. Das Ziel war es, die nötige Maschinerie zur Produktion von PHB in diesen Stamm einzufügen, während die Veränderungen, die bei der PHB-Erzeugung auftreten, genau untersucht wurden.

#Experimentelle Methoden

Um modifizierte Stämme zu erstellen, verwendeten die Forscher spezifische Techniken zur Veränderung der DNA von Nostoc sp. PCC7120. Sie kultivierten E. coli in einfachen Wachstumsmedien und für Nostoc sp. PCC7120 verwendeten sie ein modifiziertes BG11-Medium. Verschiedene Tests wurden durchgeführt, um zu sehen, wie die neuen Stämme wuchsen und wie viel PHB sie unter verschiedenen Bedingungen produzierten.

#Erstellung der ersten Generation modifizierter Cyanobakterien

Der erste modifizierte Stamm, genannt NosPHB1.0, wurde durch die Einführung der PHB-Produktionsgene von Cupriavidus necator H16 in Nostoc sp. PCC7120 geschaffen. Erste Tests zeigten, dass in einigen Zellen PHB-Granulate beobachtet werden konnten, obwohl sie nicht gleichmässig in der Population verteilt waren, wobei einige Zellen mehr Ansammlung zeigten als andere.

Weitere Tests bestätigten, dass der neue Stamm PHB produzieren konnte, und zwar bis zu 14% des Trocken gewichts innerhalb einer Woche. Allerdings führte die Anwesenheit von PHB in einigen Zellen zu Veränderungen und Abstossung von dem Hauptfilament, wobei einige Zellen mit PHB gefüllt wurden und ihre Fähigkeit zur Photosynthese verloren.

#Tests unter verschiedenen Bedingungen

Die Forscher probierten unterschiedliche Schüttelgeschwindigkeiten und Lichtintensitäten aus, um die besten Bedingungen für die PHB-Produktion zu finden. Sie massen Wachstumsraten und PHB-Gehalte unter verschiedenen Setups. Die Ergebnisse zeigten, dass das Wachstum des modifizierten Stammes langsamer war als bei dem Wildtyp, aber unter einigen Bedingungen eine erhöhte PHB-Produktion möglich war.

Bemerkenswerterweise erreichten die PHB-Werte bei Anbau unter schlechten Lichtbedingungen etwa 17% nach acht Tagen Kultivierung. Mit der Zeit wurde es jedoch schwierig, die PHB-Produktion aufrechtzuerhalten, da das Filament die Fähigkeit zur PHB-Produktion in einigen Zellen verlor, was zu nicht-PHB-produzierenden Filamenten führte.

#Erstellung einer zweiten Generation modifizierter Stämme

Um die Probleme, die bei der ersten Generation auftraten, zu beheben, entwickelten die Forscher einen zweiten Stamm, NosPHB2.0, indem sie die PHB-Produktionsgene direkt in das Genom von Nostoc sp. PCC7120 integrierten. Diese Änderung sollte die stabile PHB-Produktion fördern.

Erste Tests deuteten darauf hin, dass dieser Stamm PHB produzieren konnte, aber ähnliche Probleme traten auf. Mit der Zeit zeigten die Zellen, die mit PHB gefüllt waren, einen Verlust der Produktion, da der Stress der PHB-Akkumulation die Gesundheit der Zellen negativ zu beeinflussen schien.

#Einführung von Phasinen für Stabilität

Die Forscher erkannten die negativen Auswirkungen von PHB auf die Zellgesundheit und hatten das Ziel, den Produktionsprozess zu stabilisieren, indem sie ein Phasingens, phaP1, von Cupriavidus necator H16 in das Produktionssystem einfügten. Der neue Stamm, NosPHB3.0, kombinierte die PHB-Produktionsmaschinerie mit dem Phasin für bessere Stabilität.

Tests bestätigten, dass dieser Ansatz die PHB-Produktion verbesserte, sodass über die Zeit konsistente Mengen an PHB angesammelt werden konnten. Die Forscher beobachteten, dass die Granulate gleichmässiger verteilt waren und die Gesundheit der Zellen sich verbesserte.

#Auswirkungen des Phasins auf die Zellviabilität

Die Forschung zeigte, dass die Zugabe des Phasins PhaP1 einen positiven Effekt auf die allgemeine Gesundheit der Bakterien hatte. Es verhinderte die Art von Stressreaktionen, die in früheren Stämmen auftraten, als PHB akkumuliert wurde. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass Phasine den Stress der PHB-Produktion verringern könnten, was es den Zellen erlaubte, zu gedeihen, während sie weiterhin das nützliche biologisch abbaubare Plastik produzierten.

#Fazit

Die Entwicklung von gentechnisch veränderten Nostoc sp. PCC7120-Stämmen zeigt vielversprechende Ansätze für eine nachhaltige Produktion von PHB, einem biologisch abbaubaren Ersatz für traditionelle Kunststoffe. Durch die Integration wichtiger Gene und stabilisierender Faktoren wie Phasine haben die Forscher erhebliche Fortschritte bei der Erreichung einer stabilen, kontinuierlichen PHB-Produktion gemacht. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Bemühungen, um umweltfreundliche Optionen für die Kunststoffproduktion zu finden, was entscheidend ist, um die Verschmutzung zu bekämpfen und die Ökosysteme zu schützen.

Letztendlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass mit weiterer Forschung und Verfeinerung Cyanobakterien wichtige Akteure in der Produktion nachhaltiger Biokunststoffe werden könnten, um die Umweltprobleme, die mit der traditionellen Kunststoffnutzung verbunden sind, anzugehen.