Während die Welt mit zunehmender Plastikverschmutzung und wachsenden Sorgen um die Ernährungssicherheit zu kämpfen hat, suchen Forscher nach Wegen, das eine Problem in ein Mittel zur Lösung des anderen zu verwandeln. So hat ein Team der Southern Illinois University (SIU) Carbondale Mikroben getestet, um Plastikmüll in für Menschen essbare Lebensmittel umzuwandeln. Die Arbeit wurde im Rahmen eines von der NASA geleiteten Projekts durchgeführt, dessen Ziel es ist, Lebensmittel für die ressourcenarme Umgebung der Weltraumforschung zu entwickeln.
„Wir haben versucht, Technologien für das Upcycling von Kunststoff zu entwickeln, um wertvollere Produkte herzustellen. Da dachten wir uns: Warum konzentrieren wir uns nicht auf die Herstellung von Lebensmitteln? Denn Kunststoff besteht aus Kohlenstoff und Lebensmittel bestehen aus Kohlenstoff“, erklärt Associate Professor Lahiru Jayakody.
Von PET zu Protein: Mikroben als Miniaturfabriken
Eine der gängigsten Kunststoffarten ist Polyethylenterephthalat (PET), ein Material, das häufig zur Herstellung von Getränke- und Wasserflaschen verwendet wird. PET enthält Moleküle mit viel Kohlenstoff, die zu etwas Ähnlichem wie einem Protein umgebaut werden könnten. Und während dieser Umbau mithilfe chemischer Reaktionen und Lösungsmittel im Labor erfolgen könnte, besteht eine einfachere und umweltfreundlichere Lösung darin, diese Arbeit Mikroben zu überlassen. Jayakody fügt hinzu: „Mikroben sind sehr clever. Deshalb nutzen wir ihre Eigenschaften, um die Probleme zu lösen, die wir selbst geschaffen haben.“
Wissenschaftler nutzen seit langem Mikroorganismen, darunter auch Hefen, als Miniaturfabriken zur Herstellung einer Vielzahl von Molekülen. So wird beispielsweise Insulin nicht mehr aus tierischen Bauchspeicheldrüsen gewonnen – stattdessen kann Hefe so programmiert werden, dass sie es selbst herstellt. In ähnlicher Weise programmierten Jayakody und die Doktorandin Sandhya Jayasekara verschiedene Hefen, darunter auch Backhefe, so, dass sie Moleküle aus Kunststoff- und landwirtschaftlichen Abfällen in Proteine, Vitamine und Aromastoffe umwandeln.
Die Forscher nahmen PET-Kunststoff, ausrangierte Maisstängel und -blätter sowie andere Biomasse und unterzogen diese einem eigens entwickelten Verfahren namens „oxidative hydrothermale Auflösung“. Diese von Ken Anderson, Professor für Geologie an der SIU Carbondale, entwickelte Methode nutzt Wasser und Sauerstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck, um zähes Material in für Mikroben verwertbare Bestandteile aufzuspalten. Anschließend werden diese Stücke den programmierten Hefen zugeführt, die sie in eine Vielzahl neuer Lebensmittelzutaten umwandeln, darunter Proteine, Fette und Säuren. Schließlich fügen die Forscher der Mischung Ballaststoffe, Stärke und Süßungsmittel hinzu und extrudieren sie dann durch einen 3D-Drucker, wodurch proteinreiche Kekse entstehen, die als „µBites“ (ausgesprochen „Microbites“) bezeichnet werden.
Vom Plastikabfall zum 3D-gedruckten µBite
Obwohl die Daten zeigen, dass µBites sicher verzehrt werden können, wartet das Team noch auf die behördliche Genehmigung zur Durchführung von Geschmackstests. Bislang haben die Kekse in puncto Aroma gute Bewertungen erhalten, wobei die meisten Teilnehmer angaben, dass sie bereit wären, die Kekse auch unter ressourcenknappen Bedingungen zu essen.
Um µBites zu einem Produkt zu machen, für das sich Verbraucher auch unter weniger dringlichen Umständen entscheiden würden, entwickelte Jayasekara Hefen, die weitere Lebensmittelzusatzstoffe produzieren können. So kann Bäckerhefe nun Vanillearoma aus pflanzlicher Biomasse produzieren, während ein anderer Stamm Ethylenglykol aus PET in Beta-Carotin umwandeln kann, das der Körper in Vitamin A umwandeln kann. „Wir nutzen Mikroben, um den Keks zu einem attraktiveren, verbraucherfreundlicheren Produkt weiterzuentwickeln“, sagt Jayasekara.
In Zukunft hoffen Jayakody und sein Team, die Hauptzutaten der µBites mithilfe von Mikroben herstellen zu können, darunter die zugesetzte Stärke, Ballaststoffe und Süßungsmittel. Er hofft außerdem, dass µBites in wenigen Jahren für den öffentlichen Verzehr bereit sein werden und sowohl auf der Erde als auch in extremeren Umgebungen wie U-Booten oder sogar Kolonien auf dem Mond oder dem Mars eingesetzt werden können. „Der weltweite Nahrungsmittelbedarf wird bis zum Jahr 2050 voraussichtlich um 35 bis 56 Prozent steigen, und etwa 30 Prozent der Weltbevölkerung werden in Zukunft von Hunger bedroht sein. Der Weg, dies anzugehen, liegt meiner Meinung nach im Einsatz von Mikroben“, schließt er.
