Der Kampf gegen die Kohlendioxidverschmutzung nimmt durch die intensive Forschung nach biologischen Lösungen eine neue Wendung. Wissenschaftler erforschen Methoden, um dieses Treibhausgas in nützliche Materialien umzuwandeln und so nachhaltige Alternativen zu aus Erdöl gewonnenen Produkten bereitzustellen. Ein Team der Universität Manchester hat kürzlich eine Technik entwickelt, die in diesem Bereich bahnbrechend sein könnte.
Wissenschaftler der Universität Manchester haben eine Methode entwickelt, um Kohlendioxid (CO2) mithilfe von Cyanobakterien in biobasierte Materialien umzuwandeln, die oft als „Blaualgen“. Ihre in „Biotechnology for Biofuels and Bioproducts“ veröffentlichte Arbeit ermöglicht die Entwicklung umweltfreundlicher Ersatzstoffe für Kunststoffe aus fossilen Brennstoffen und trägt so zur Entstehung einer CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft bei.
Cyanobakterien: Schlüsselakteure in der Biotechnologie
DER Cyanobakterien zeichnen sich durch ihre Fähigkeit zur Photosynthese aus, bei der sie Sonnenlicht und CO2 in organische Verbindungen umwandeln. Sie stellen ideale Kandidaten für industrielle Anwendungen dar, da sie CO2, ein wichtiges Treibhausgas, in wertvolle Produkte umwandeln können, ohne auf traditionelle landwirtschaftliche Ressourcen wie Zucker oder Mais angewiesen zu sein. Ihr langsames Wachstum und ihre begrenzte Wirksamkeit haben jedoch bisher ihren großflächigen Einsatz eingeschränkt.
Unter der Leitung von Dr. Matthew Faulkner konzentrierte sich das Forschungsteam in Zusammenarbeit mit Dr. Fraser Andrews und Professor Nigel Scrutton auf die Verbesserung der Produktion von Citramalat, einer Substanz, die als Vorstufe für erneuerbare Kunststoffe wie Perspex oder Plexiglas dient. Mit einem innovativen Ansatz namens „Versuchsplanung„Durch die Optimierung der Prozessparameter konnten sie die Citramalat-Produktion um den Faktor 23 steigern.
Ihre Studie konzentrierte sich auf den bekannten Cyanobakterienstamm Synechocystis sp. PCC 6803. Citramalat, das im Mittelpunkt ihrer Forschung steht, wird durch eine einzigartige enzymatische Reaktion gebildet, an der zwei Schlüsselmetaboliten beteiligt sind: Pyruvat und Acetyl-CoA. Durch die Anpassung der Lichtintensität, der CO2-Konzentration und der Nährstoffverfügbarkeit steigerten die Forscher die Citramalatproduktion deutlich.
Anfangs ergaben die Experimente wenig Citramalat, aber dank der „Versuchsplanung„konnte das Team die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Faktoren systematisch analysieren. Sie steigerten so die Produktion in 2-Liter-Photobioreaktoren auf 6,35 Gramm pro Liter (g/L), was einer Produktivitätsrate von 1,59 g/L pro Tag entspricht.
Bei der Skalierung auf 5-Liter-Reaktoren ging die Produktivität aufgrund von Problemen mit der Lichtverteilung leicht zurück, aber die Studie zeigt, dass solche Anpassungen in biotechnologischen Scale-up-Prozessen beherrschbar sind.
Auf dem Weg zu einer Kreislaufwirtschaft
Die Implikationen dieser Forschung gehen weit über den Bereich der Kunststoffe hinaus. Pyruvat und Acetyl-CoA, Schlüsselmetaboliten bei der Herstellung von Citramalat, sind auch Vorläufer für viele andere biotechnologisch bedeutsame Verbindungen. Die in dieser Studie implementierten Optimierungstechniken könnten daher auf die Produktion einer Vielzahl von Materialien angewendet werden, von Biokraftstoffen bis hin zu Medikamenten.
Durch die Verbesserung der Effizienz der Kohlenstoffabscheidung und -nutzung trägt die Forschung zu den weltweiten Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels und zur Verringerung der Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen bei.
«Unsere Forschung befasst sich mit einem der Hauptprobleme bei der Verwendung von Cyanobakterien für eine nachhaltige Produktion“, erklärte Matthew. „Durch die Optimierung der Art und Weise, wie diese Organismen Kohlenstoff in nützliche Produkte umwandeln, haben wir einen wichtigen Schritt in Richtung der kommerziellen Realisierbarkeit dieser Technologie gemacht..»
«Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung einer Kreislaufwirtschaft» fügte Matthew hinzu. „Durch die Umwandlung von CO2 in etwas Wertvolles reduzieren wir nicht nur Emissionen – wir schaffen einen nachhaltigen Kreislauf, in dem Kohlenstoff zum Baustein für die Produkte wird, die wir täglich verwenden.»
Nächste Schritte
Das Team plant, seine Methoden weiter zu verfeinern und Möglichkeiten zu erkunden, die Produktion zu steigern und gleichzeitig die Effizienz aufrechtzuerhalten. Sie untersuchen auch, wie sie ihren Ansatz anpassen können, um andere Stoffwechselwege in Cyanobakterien zu optimieren, mit dem Ziel, die Palette biobasierter Produkte zu erweitern, die nachhaltig hergestellt werden können.
Diese Forschung ist die neueste Entwicklung des Future Biomanufacturing Research Hub (FBRH) und wurde in Zusammenarbeit mit dem FlexBio Scaling Center an der Heriot-Watt University durchgeführt.
Bildunterschrift: Durch die Umwandlung von CO2 in etwas Wertvolles reduzieren wir nicht nur Emissionen, sondern schaffen auch einen nachhaltigen Kreislauf, in dem Kohlenstoff zum Baustein der Produkte wird, die wir täglich verwenden.
Diese Forschung ist die neueste Entwicklung des Future Biomanufacturing Research Hub (FBRH) und wurde in Zusammenarbeit mit der FlexBio-Scale-up-Einrichtung der Heriot-Watt University durchgeführt.
