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Der anthropogene Klimawandel und die steigende Weltbevölkerung im Verbund mit zunehmender Urbanisierung induzieren globale Herausforderungen an unsere Gesellschaft, die nur durch technologische Fortschritte gelöst werden können. Die direkte biotechnologische Nutzung von Treibhausgasen, also auch von Restbiomasseströmen aus Landwirtschaft und urbanen Zentren, ermöglichen hier eine Unabhängigkeit der industriellen Produktion von fossilen Rohstoffquellen. Die biologische Stoffumwandlung ermöglicht damit eine industrielle Transformation hin zu einer stoffstromintegrierten, nachhaltigen und zirkulären Wirtschaft.

Die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf das globale Ökosystem forcieren ein Umdenken in Industrie und Gesellschaft hin zu einem nachhaltigem, zirkulären Wirtschaftssystem [1, 2]. Im Zentrum dieser Aktivitäten stehen erneuerbare biobasierte Rohstoffströme. Deren durch Kombination von maßgeschneiderten biotechnologischen Verfahren massen- und energieeffiziente Konversion erlaubt die klimaneutrale Darstellung von nachhaltigen Lebensmitteln, Materialien, chemischen Grundstoffen und sogar Pharmazeutika im Kontext einer Bioraffinerie [3]. Im Gegensatz zu Bioraffinerien der ersten Generation nutzen aktuelle Prozessketten vermehrt Biomassereststoffströme (z.B. Stroh, Holz, Algen), die nicht mit der primären Lebensmittelproduktion konkurrieren. Diese Prozesse müssen ihre ökonomische und ökologische Validität quantitativ durch kombinierte Metriken der technoökonomischen Analyse und Lebenszyklusanalyse nachweisen [4]. Im Folgenden werden drei biotechnologische Verfahrenswege aus der aktuellen Forschung zur Darstellung von Materialien und chemischen Bausteinen aufgeführt.

Der „Green Carbon‘‘-Prozess zur Darstellung von CO2-basierten Carbonfaserkompositen und funktionalen Schmierstoffen

Abb. 1 Produktion von ölhaltiger Algenbiomasse in Kaskaden-Photobioreaktoren unter realistischer Klimasimulation im TUM-Algentechnikum

The anthropogene Klimawandel ist weitgehend auf exzessive CO2-Emissionen durch Nutzung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl zurückzuführen. Mikroalgen sind einzellige, aquatische Mikroorganismen, die durch Photosynthese Sonnenlicht, das Treibhausgas CO2 und anorganische Nährsalze in Biomasse umwandeln. Mikroalgen wachsen bis zu 10 mal schneller als Landpflanzen und können unter Nutzung von Salz- oder Abwasser auf Brachflächen kultiviert werden, was eine Konkurrenz mit agrarwirtschaftlichen Aktivitäten ausschließt. Die photosynthetische Effizienz von Mikroalgen ist etwa doppelt so hoch ist wie bei Landpflanzen. Daher sind diese Organismen ein biotechnologisches Werkzeug zur effizienten CO2-Fixierung und Konversion in nachhaltige Wertstoffe für die Bereiche Lebensmittel, Energie und Chemie sowie den Kosmetiksektor. Spezifische Salzwasseralgen wie Microchloropsis salina zeichnen sich durch ein schnelles Wachstum und eine sehr hohe CO2-Konversionseffizienz in Biomasse von bis zu 97 % (w/w) aus [5]. Unter metabolischen Stressbedingungen wie Stickstofflimitierung lagern diese Algen zusätzlich bis zu 75 % (w/w) Öle als intrazellulären Kohlenstoffspeicher ein [6, 7].

Abb. 2 Synergistische biotechnologische und chemische Konversionskaskaden des Algenöls zu Carbonfaserkompositen, Biokraftstoffen und Spezialchemikalien

Die klimazentrierte Optimierung der Algenkultivierung im weltweit einzigartigen Algentechnikum der Technischen Universität München (TUM) beschleunigt die industrielle Realisierung dieser Technologien, da hier spezialisierte Prozesse direkt auf die Klimabedingungen idealer Produktionsstandorte wie z.B. Griechenland angepasst werden können (Abb. 1). Die Isolation des Algenöls durch mechanische oder enzymatische Verfahren eröffnet vielseitige Anwendungen. Während Algenöl bisher weitgehend für die Biokraftstoffe in Betracht gezogen wurde, eröffnet die synergistische Kombination von biotechnologischen und chemischen Konversionsrouten neue Anwendungsfelder wie z.B. die Darstellung von algenölbasierten Carbonfaserkompositen und bioabbaubaren Schmierstoffkomponenten (Abb. 2). Die hieraus resultierenden Materialanwendungen im Automobil- und Flugzeugbereich sind sogar CO2-negativ, weil das im Algenöl initial gebundene CO2 nun in der Carbonfaser permanent fixiert ist. Da die Carbonfaser chemisch komplett inert ist und über geologische Zeiträume nicht abgebaut wird, würde eine Endlagerung der Carbonfaserwerkstoffe am Ende des Lebenszyklus, z.B. in Bergwerken, sogar eine effiziente CO2-Senke darstellen. Diese Erkenntnis wurde durch unabhängige Studien im IPCC-Sonderbericht über 1,5 °C globale Erwärmung (SR1.5) bestätigt [8]. Eine Anwendung der Technologie im Baubereich (z.B. T-Träger) würde sogar eine Fixierung von etwa 2 GT CO2 / Jahr erlauben, genau der Menge die aktuell von der Zementindustrie emittiert wird. Somit tragen innovative biotechnologische Prozesse aktiv zum Klimaschutz bei.

Nachhaltiger Pflanzenschutz durch Nutzung bioaktiver Naturstoffe

Der Klimawandel führt durch die Erhöhung der Durchschnittstemperatur und den hieraus resultierenden Wettervariationen zu einer drastischen Einschränkung der landwirtschaftlich nutzbaren Flächen. Zusätzlich führen die Klimaveränderungen zur Einwanderung von bisher unbekannten Schadinsekten in Europa. Um die Ernteerträge und damit die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, bedarf es des vermehrten Einsatzes von Pflanzenschutzmaßnahmen. Im konventionellen Landbau werden zur Bekämpfung von Insekten chemische Stoffe verwendet, die nicht nachhaltig aus petrochemischen Vorstufen generiert werden und nicht diskriminierend auch Nutzinsekten, wie z.B. Bienen, abtöten können [9, 10]. Die Wirkselektivität gegenüber allen Insekten sowie der übermäßige Einsatz dieser Stoffe führte in den letzten Jahren zu einem legislativen Verbot vieler chemischer Insektizide [11].

Abb. 3 Neue Konzepte zur nachhaltigen Pflanzenschutzdarstellung (N. Mehlmer)

Ein alternativer Ansatz ist der Einsatz von bioaktiven Naturstoffen wie Cembrandiol (CBT-ol), der ursprünglich aus dem Bergtabak (Nicotiana sylvestris) isoliert wurde. Dieser Naturstoff wirkt als selektives Insektenrepellent, welches Insekten vertreibt und nicht abtötet [12]. Weiterhin zeigt es keine Wirkung auf Nutzinsekten wie die Honigbiene und hat damit keine negativen Effekte auf die Biodiversität. Da dieser Naturstoff biologisch abbaubar ist, bestehen im Gegensatz zu chemischen Insektiziden keine Langzeitwirkungen auf das Ökosystem. Da CBT-ol nur mit sehr hohem Aufwand aus Tabak gewonnen werden kann, ist ein Einsatz unter ökonomischen Rahmenbedingungen nicht machbar. Es ist unserer Arbeitsgruppe jedoch gelungen, CBT-ol gezielt in einem genetisch optimierten E. coli-Stamm herzustellen. Die Produktionstiter waren jedoch sehr gering, was auf die ausgeprägte CBT-ol-Hydrophobizität zurückzuführen ist, welche sich negativ auf zelluläre Prozesse auswirkte [13, 14]. Um CBT-ol dennoch in industriell relevanten Mengen zu generieren, wird der designte CBT-ol-Biosyntheseweg aktuell in ein Öl (Triglycerid) bildendes Bakterium überführt. Wie Mikroalgen bilden diese Bakterien unter metabolischem Stress intrazellulär Ölvesikel aus. Diese intrazellulären „Öltröpfchen“ agieren hier als eine metabolische Senke für hydrophobe Substanzen wie CBT-ol. Dies hat zur Folge, dass sich signifikante Mengen an CBT-ol in den „Öltröpfchen“ ansammeln ohne toxische Effekte auf die Zelle auszuüben. Nach Zellernte und Lyse über mechanische Verfahren lassen sich die CBT-ol enthaltenden Öltröpfchen auch leicht gravimetrisch vom Zelllysat abtrennen. Interessanterweise können Öl bildende Bakterien verschiedene Zuckerquellen metabolisch zu nutzen. Dies eröffnet die Möglichkeit einer fermentativen CBT-ol Herstellung auf Basis von kostengünstigen lignozellulosehaltigen Reststoffströmen wie Stroh. In der aktuellen Forschungsphase werden die erarbeiteten Technologien skaliert und die Wirksamkeit unter realen Nutzungsbedingungen überprüft. Dieses Technologie zeigt, dass biotechnologische Verfahren für nachhaltigen Pflanzenschutz eingesetzt werden können, um auch in Zukunft unsere Lebensmittelversorgung zu sichern (Abb. 3).

Schutz der marinen Biodiversität durch nachhaltige biotechnologische Darstellung von bioaktiven Naturstoffen

Die marinen Ökosysteme beinhalten einen Großteil der weltweiten Biodiversität. Diese sichern nicht nur einen großen Anteil der Nahrungsversorgung der Menschheit durch Fischerei, sondern fragile Ökosysteme wie Korallenriffe fungieren als eine signifikante CO2-Senke und sind somit ein Bollwerk gegen den Klimawandel. Zudem bietet sich in der Biodiversität der Korallenriffe eine bisher unausgeschöpfte Quelle an neuen bioaktiven Naturstoffen, die sich unter anderem durch völlig neue pharmazeutische Wirkweisen auszeichnen. Diese Ökosysteme geraten durch den Klimawandel sowie die nicht nachhaltige Bewirtschaftung der Weltmeere immer mehr in Bedrängnis. Um den Klimawandel zu bekämpfen und auch die Biodiversität der globalen Ökosysteme zu sichern, ist es von essenzieller Bedeutung, die marinen Ökosysteme, insbesondere die Korallenriffe, zu schützen. Dies geht Hand in Hand mit den Zielen 13 (Maßnahmen zum Klimaschutz) und 14 (Leben unter Wasser) der UN-Nachhaltigkeitsziele. Ein prominentes Beispiel der nicht nachhaltigen Nutzung des Ökosystems Korallenriff ist die Gewinnung von Pseudopterosinen aus der Weichkoralle Antillogorgia elisabethae. Die antiinflammativ hochwirksame Naturstoffgruppe wird aktuell in Hautcremes verwendet und ist bereits in klinischen Studien getestet worden [15, 16]. Da jedoch die Nachfrage die natürlichen Ressourcen weit übersteigt und die Gewinnung auf der Ernte und Extraktion der Korallen basiert, ist es besonders wichtig hier eine nachhaltige Darstellungsmöglichkeit zu finden. Die chemische Totalsynthese von Naturstoffen ist eine alternative Produktionsroute. Jedoch involviert diese auf Grund der komplexen Grundstrukturen der terpenbasierten Naturstoffe den Einsatz von kostenintensiven metallorganischen Katalysatoren und toxischen Lösungsmitteln [17].

Abb. 4 Biotechnologische Darstellung neuer bioaktiver Naturstoffe am Beispiel von Pseudopterosin zum Schutz der marinen Biodiversität (M. Ringel)

Eine nachhaltige Alternative zur chemischen Totalsynthese stellt hier die biotechnologische Darstellung unter Verwendung von Escherichia coli als Ganzzellkatalysesystem dar (Abb. 4). Die Integration des Terpenoid-Biosyntheseweges und einer Terpensynthase in E. coli sowie die nachgeschaltete In-vitro-Funktionalisierung des Terpengrundgerüsts ermöglichen erstmalig die nachhaltige Produktion eines Schlüsselintermediats auf dem Weg zur Pseudopterosin-Produktion [18]. Durch die Verwendung von Reststoffströmen als Nährstoffquelle wird der Weg zu einer nachhaltigen, zirkulären Bioökonomie geebnet. Die Darstellung von Schlüsselintermediaten der Pseudopterosin-Biosynthese stellt hier natürlich nur eines der vielzähligen Beispiele der nachhaltigen biotechnologischen Wirkstoffproduktion dar. Durch die Implementierung der Biosynthesewege in Ganzzellkatalysesysteme wie E. coli können jedoch viele weitere, potenziell bioaktive Naturstoffe bei gleichzeitigem Schutz der Biodiversität der Korallenriffe nachhaltig dargestellt werden. Dieses Beispiel zeigt jedoch anschaulich das Potenzial des Schutzes von Ökosystemen und der Biodiversität bei gleichzeitiger Wertschöpfung.

Die hier aufgeführten Technologieplattformen zeigen eindrücklich, wie Verfahren der synthetischen Biotechnologie mit unterschiedlichen Zielstellungen nachhaltige Produkte generieren können, die nicht nur klimaneutral sind, sondern auch aktiv dem Klimawandel entgegenwirken, unsere Lebensgrundlage und die globale Biodiversität schützen. Die Biotechnologie ist damit ein Schlüssel zur Realisierung einer nachhaltigen, zirkulären Ökonomie.

Autorenverweis:

Autor des Artikelteils „Der ‘Green Carbon‘-Prozess zur Darstellung von CO2-basierten Carbonfaserkompositen und funktionalen Schmierstoffen“ ist Prof. Dr. Thomas Brück, der Artikelteil  „Nachhaltiger Pflanzenschutz durch Nutzung bioaktiver Naturstoffe“ ist verfasst von Dr. Norbert Mehlmer und Prof. Dr. Thomas Brück, Autorin des Artikelteils „Schutz der marinen Biodiversität durch nachhaltige biotechnologische Darstellung von bioaktiven Naturstoffen“ ist Marion Ringel. Dr. Mahmoud Masri hat die Bildelemente im Teil „Der ‘Green Carbon‘-Prozess zur Darstellung von CO2-basierten Carbonfaserkompositen und funktionalen Schmierstoffen“ generiert.

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Kategorie: Bioökonomie | Synthetische Biotechnologie

Literatur:
[1] Camill, P. Global change. Nature Education Knowledge 2010, 3
[2] Murray, A.; Skene, K.; Haynes, K. (2017) The Circular Economy: An Interdisciplinary Exploration of the Concept and Application in a Global Context. J Bus Ethics, 140, 369–380, DOI: 10.1007/s10551-015-2693-2
[3] Ubando, A.T.; Felix, C.B.; Chen, W.-H. (2020) Biorefineries in circular bioeconomy: A comprehensive review. Bioresour. Technol., 299, 122585, DOI: 10.1016/j.biortech.2019.122585
[4] Khoo, H.H.; Eufrasio-Espinosa, R.M.; Koh, L.S.C.; Sharratt, P.N.; Isoni, V. (2019) Sustainability assessment of biorefinery production chains: A combined LCA-supply chain approach. Journal of Cleaner Production, 235, 1116–1137, DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.07.007
[5] Schädler, T.; Neumann-Cip, A.-C.; Wieland, K.; Glöckler, D.; Haisch, C.; Brück, T.; Weuster-Botz, D. (2020) High-Density Microalgae Cultivation in Open Thin-Layer Cascade Photobioreactors with Water Recycling. Applied Sciences, 10, 3883, DOI: 10.3390/app10113883
[6] Pfaffinger, C.E.; Severin, T.S.; Apel, A.C.; Göbel, J.; Sauter, J.; Weuster-Botz, D. (2019) Light-dependent growth kinetics enable scale-up of well-mixed phototrophic bioprocesses in different types of photobioreactors. J. Biotechnol., 297, 41–48, DOI: 10.1016/j.jbiotec.2019.03.003
[7] Schädler, T.; Caballero Cerbon, D.; Oliveira, L. de; Garbe, D.; Brück, T.; Weuster-Botz, D. (2019) Production of lipids with Microchloropsis salina in open thin-layer cascade photobioreactors. Bioresour. Technol., 289, 121682, DOI: 10.1016/j.biortech.2019.121682
[8] IPCC, Global Warming of 1.5 °C, An IPCC special report on the impacts of global warming of 1.5 °C […],Oct 2018, see https://www.ipcc.ch/sr15/
[9] Tapparo, A.; Marton, D.; Giorio, C.; Zanella, A.; Soldà, L.; Marzaro, M.; Vivan, L.; Girolami, V. (2012) Assessment of the environmental exposure of honeybees to particulate matter containing neonicotinoid insecticides coming from corn coated seeds. Environ. Sci. Technol., 46, 2592–2599, DOI: 10.1021/es2035152
[10] Blake, R.J.; Copping, L.G. (2017) Are neonicotinoids killing bees? Pest Manag. Sci., 73, 1293–1294, DOI: 10.1002/ps.4604
[11] https://ec.europa.eu/germany/news/20200113insektengift-thiacloprid-wird-europa-verboten_de, accessed on 2020 Dec 07
[12] Mischko, W.; Hirte, M.; Roehrer, S.; Engelhardt, H.; Mehlmer, N.; Minceva, M.; Brück, T. (2018) Modular biomanufacturing for a sustainable production of terpenoid-based insect deterrents. Green Chem, 68, 1844, DOI: 10.1039/c8gc00434j
[13] Suástegui, M.; Shao, Z. (2016) Yeast factories for the production of aromatic compounds: from building blocks to plant secondary metabolites. J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 43, 1611–1624, DOI: 10.1007/s10295-016-1824-9
[14] Royce, L.A.; Liu, P.; Stebbins, M.J.; Hanson, B.C.; Jarboe, L.R. (2013) The damaging effects of short chain fatty acids on Escherichia coli membranes. Appl. Microbiol. Biotechnol., 97, 8317–8327, DOI: 10.1007/s00253-013-5113-5
[15] Mayer, A.M.S.; Jacobson, P.B.; Fenical, W.; Jacobs, R.S.; Glaser, K.B. (1998) Pharmacological characterization of the pseudopterosins: Novel anti-inflammatory natural products isolated from the Caribbean soft coral, Pseudopterogorgia elisabethae. Life Sciences, 62, PL401-PL407, DOI: 10.1016/S0024-3205(98)00229-X
[16] Look, S.A.; Fenical, W.; Matsumoto, G.K.; Clardy, J. (1986) The pseudopterosins: a new class of antiinflammatory and analgesic diterpene pentosides from the marine sea whip Pseudopterogorgia elisabethae (Octocorallia). J. Org. Chem., 51, 5140–5145, DOI: 10.1021/jo00376a016
[17] Kemper, K.; Hirte, M.; Reinbold, M.; Fuchs, M.; Brück, T. (2017) Opportunities and challenges for the sustainable production of structurally complex diterpenoids in recombinant microbial systems. Beilstein J. Org. Chem., 13, 845–854, DOI: 10.3762/bjoc.13.85
[18] Ringel, M.; Reinbold, M.; Hirte, M.; Haack, M. et al. (2020) Towards a sustainable generation of pseudopterosin-type bioactives. Green Chem, 22, 6033–6046, DOI: 10.1039/d0gc01697g

Publikationsdatum: 21.12.2020

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