Wissenschaftler am MIT programmieren Hefe, um Pflanzenzucker in Öl umzuwandeln
Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Hefeart genetisch so umprogrammiert, dass sie viel effizienter Zucker in Fette umwandelt, ein Fortschritt, der die erneuerbare Produktion von hochenergetischen Kraftstoffen wie Diesel ermöglichen könnte. Die Forscher um Gregory Stephanopoulos modifizierten die Stoffwechselwege des Hefestamms Yarrowia lipolytica, die auf natürliche Weise große Mengen an Lipiden produziert, um sie etwa 30 Prozent effizienter zu machen.
„Wir haben den Stoffwechsel dieser Mikroben neu verdrahtet, damit sie in der Lage sind, Öle mit sehr hohen Erträgen zu produzieren“, sagt Stephanopoulos, , Willard Henry Dow-Professor für Chemical Engineering und Biotechnologie am MIT und Leitautor der Studie, die am 16.01.2017 in Nature Biotechnology erschien.
Dieses Upgrade könnte die Produktion von erneuerbaren energiereichen Brennstoffen wirtschaftlich ermöglichen, und das MIT-Team arbeitet nun an zusätzlichen Verbesserungen, die dazu beitragen würden, diesem Ziel sogar noch näher zu kommen. „Mit dem, was wir getan haben, erreichen wir etwa 75 Prozent des Potenzials dieser Hefe, weitere 25 Prozent werden Gegenstand von Nachfolge-Arbeiten sein“, sagt Stephanopoulos.
Startendes Flugzeug von TXL aus – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
Hochenergetische Brennstoffe
Erneuerbare Kraftstoffe wie Ethanol aus Mais eignen sich als Benzinzusatzstoffe für den Betrieb von Autos, aber für große Fahrzeuge wie Flugzeuge, Lkw und Schiffe sind stärkere Kraftstoffe wie Diesel erforderlich. „Diesel wird als Kraftstoff wegen seiner hohen Energiedichte und der hohen Effizienz der Motoren bevorzugt“, so Stephanopoulos. Das Problem mit Diesel ist, dass er bisher vollständig aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird.“ Und klima- und gesundheitsschädlich ist.
Die Bemühungen zur Entwicklung von Motoren, die mit Biodiesel aus gebrauchten Speiseölen laufen, hatten einen gewissen Erfolg, aber das Speiseöl ist eine relativ knappe und teure Brennstoffquelle. Stärken wie Zuckerrohr und Mais sind billiger und reichlicher, aber diese Kohlenhydrate müssen zuerst in Lipide umgewandelt werden, die dann ihrereseits in hochdichte Kraftstoffe wie Diesel umgewandelt werden können.
Um dies zu erreichen, begannen Stephanopoulos und seine Kollegen mit einer als als Yarrowia lipolytica bekannten Hefe, die auf natürliche Weise große Mengen an Lipiden produziert. Sie konzentrierten sich auf die volle Nutzung der aus dem Abbau von Glukose erzeugten Elektronen. Um dies zu erreichen, verwandelten sie Yarrowia auf synthetischen Wegen, die überschüssiges NADH, ein Produkt des Glukoseabbaus, zu NADPH umwandeln, die zur Synthese von Lipiden verwendet werden können. Sie testeten 13 modifizierte Synthesewege. „Es stellte sich heraus, dass die Kombination zweier dieser Wege uns die besten Ergebnisse brachte; wir veröffentlichen sie in dem Paper“, sagt Stephanopoulos. „Der eigentliche Mechanismus, warum ein paar dieser Wege viel besser arbeiten als die anderen, ist noch nicht völlig verstanden.“ Unter Verwendung dieses verbesserten Weges benötigen die Hefezellen nur zwei Drittel der Menge an Glukose, die von unmodifizierten Hefezellen benötigt wird, um die gleiche Menge an Öl zu erzeugen.
Folgt: Bessere Effizienz