Die synthetische Biologie gilt als Schlüssel zur Lösung globaler Herausforderungen. Ein studentisches Team der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat sich dieser Aufgabe gestellt: Das Biomanufacturing-Projekt „Cozyme“ zielt darauf ab, lokale Herausforderungen zu bewältigen und die entwickelten Lösungen global skalierbar zu machen. Altbier ist mehr als nur ein Bier, es ist ein Stück Düsseldorf. Doch bei der Bierproduktion entsteht ein oft übersehener Nebenstoff: der sogenannte Biertreber (englisch „Brewer’s Spent Grain“).
Aus Brauabfall wird biobasiertes Produkt
Das Ziel des Projekts besteht darin, aus bislang wenig genutzten Brauabfällen hochwertige biobasierte Produkte herzustellen – nachhaltig, modular und ressourcenschonend. Im Fokus des Teams der HHU stehen unter anderem die sogenannten Jasmonate. Das sind Phytohormone, also pflanzliche Signalstoffe, die in der Landwirtschaft als biologischer Dünger und als Mittel zur Pflanzenstärkung verwendet werden. Mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise Getreide, darunter auch Gerste, effizienter und gesünder anbauen.
„Im Endeffekt wird so die Rohstoffbasis für Bier gesichert, wodurch wir wiederum mehr Biertreber als Ausgangsstoff für die Produktion neuer Jasmonate nutzen können – ein perfekter biologischer Kreislauf“, erklärt Ole Nielsen, einer der studentischen Teamleiter.
Modulares System nach dem Baukastenprinzip
Das Team fokussiert sich auf eine kontinuierliche Bioproduktion, bei der Mikroorganismen durchgehend Stoffe herstellen, statt dies in einzelnen Ansätzen zu tun. Es entwickelt ein modulares System nach dem Baukastenprinzip, das flexibel angepasst werden kann, um verschiedene biologische Reststoffe zu zersetzen und in neue Produkte zu verwandeln. Der Kern des Projekts liegt in der sogenannten Optogenetik: Verschiedene biologische Prozesse können durch Licht gesteuert werden.
Optogenetik als Alternative zu klassischen Co-Kulturen
„Diese Technologie stellt eine bahnbrechende Alternative zu den bereits etablierten Auxotrophie-Co-Kulturen dar“, erklärt Lina Bollmann. Als „Auxotroph“ werden Mikroorganismen bezeichnet, die auf die Zufuhr bestimmter Nährstoffe aus ihrer Umgebung angewiesen sind, da sie diese nicht selbst synthetisieren können. Nachteilig ist jedoch, dass klassische auxotrophe Kulturen in der Praxis oft eine geringe Wachstumsrate sowie einen niedrigen Produktertrag aufweisen. Außerdem können solche Co-Kulturen nur schwer im Gleichgewicht gehalten werden.
Bei der Optogenetik wird das Populationsverhältnis dagegen präzise mit Lichtwellenlängen gesteuert. Mithilfe von zwei Lichtquellen kann das Team gezielt intervenieren. Bestimmte Wellenlängen erlauben es, das Wachstum einzelner Stämme zu regulieren oder zu hemmen, um die Populationsdynamik perfekt auszugleichen. Zudem ermöglicht die Lichtsteuerung eine zeitliche Trennung der Prozesse: Zunächst wird Cellulose aus dem Biertreber zersetzt, bevor in einer zweiten Phase die Produktion des Zielstoffs auf Grundlage der Versetzungsprodukte bis zum Maximum hochgefahren wird.
Skalierbar über Jasmonate hinaus
„Die Besonderheit unseres Systems ist, dass es nicht nur für Jasmonate anwendbar sein wird, sondern durch die modulare Aufbauweise auch andere Stoffe hergestellt werden können. Wir haben uns im ersten Schritt für die Produktion von Jasmonaten entschieden, weil sie einen direkten Kreislaufbezug zur Bierbranche haben, gut erforscht sind und uns gleichzeitig die Möglichkeit geben, den modularen Charakter unseres Systems unter Beweis zu stellen“, erklärt Teammitglied Aniela Jakimowicz.
