Eine Forschungsgruppe aus Graz sucht nach einer Möglichkeit genetisch veränderte Hefezellen für die Erzeugung von Biodiesel einzusetzen.
Biologisch hergestellter Treibstoff ist großer Hoffnungsträger einer künftigen Energiewende. Verbrennungsmotoren mit klimaneutral hergestelltem Diesel oder Benzin könnten neben E-Mobilität den Ausstieg aus fossilen Energieträgern unterstützen. Derzeit muss dieser „Biosprit“ aber immer noch aus hochwertigen Rohstoffen wie Raps oder Mais hergestellt werden, dessen Anbau große Ackerflächen benötigt. Forschergruppen aus aller Welt suchen daher intensiv nach Alternativen. Eine davon wäre die Herstellung von Biosprit mithilfe von Hefezellen aus Zelluloseabfällen. So lässt sich Fett erzeugen, das dann in Biodiesel umgewandelt werden kann.
Ein vom Wissenschaftsfonds FWF finanziertes Projekt einer Gruppe um den Molekularbiologen Klaus Natter von der Universität Graz in Österreich hatte zum Ziel, die Fettproduktion in Hefezellen durch gentechnische Veränderung zu erhöhen.
Hefe – schon lange erfoscht
Hefe ist bereits gut erforscht „Die Genome der Hefen, mit denen wir arbeiten, sind vollständig sequenziert, was den Stoffwechsel betrifft, sind nahezu alle Prozesse, die in der Zelle ablaufen, bekannt“, so Natter.
Der Forscher spricht von der sogenannten „Bäckerhefe“ und den „Fetthefen“. „Erstere ist die Hefe, über die man am meisten weiß. Sie wird in den meisten Nahrungsmitteln verwendet, für Brot, Bier, Wein und eben auch in der Biosprit-Produktion. Seit Mitte vergangenen Jahrhunderts ist sie ein beliebtes Modell in der Forschung. Deshalb weiß man über diese viel mehr als über alle anderen“, erklärt Natter. Mit Fetthefen arbeite man hingegen erst seit Kurzem. Sie ist wegen des namensgebenden Fettgehalts interessant. Fetthefen lagern bis zu 20 Prozent ihres Gesamtgewichts an Fett ein, die Bäckerhefe zwischen fünf und zehn Prozent.
Bis zu 70 Prozent Fett
Mittels Computersimulationen des Zellstoffwechsels versuchte Natters Forschergruppe ein Jahr lang, ein genaues Modell der Fetthefe „Yarrowia lipolytica“ zu erstellen, das alle Stoffwechselprozesse der Zelle abbildet. Sie versuchten auch Gene zu identifizieren, deren Veränderung den Fettgehalt erhöhen könnte. Die Ergebnisse konnten durch darauffolgende Experimente bestätigt werden: Sowohl Fetthefe als auch Bäckerhefe konnten auf diese Art für die Fettproduktion optimiert werden.
Die genetisch veränderte Fetthefe lagerte daraufhin zwischen 50 und 60 Prozent Fett ein. Auch bei der eigentlich fettärmeren Bäckerhefe konnte der Fettgehalt um ein Mehrfaches gesteigert werden. „Das zeigt, dass die Unterteilung in fette oder nicht fette Hefen nicht ganz korrekt ist“, erklärt Natter. Es könnte durchaus sein, dass die besser bekannte Bäckerhefe der aussichtsreichere Kandidat zur Fettproduktion ist. Möglicherweise sind die veränderten Hefezellen ganz normal lebensfähig und wachsen nur etwas langsamer als die Wildtypen.
Dazu Natter: „Um den Prozess nachhaltig zu machen, müsste der Nährstoff für diese Hefen aus Abfällen bestehen. Von geeigneten Enzymen zerlegte Zellulose wäre ein guter Kandidat. Dann würden beim Abernten eines Maisackers nicht mehr die Maiskolben, sondern der Rest zur Biodieselproduktion verwendet werden.“ Derzeit ist das Verfahren allerdings noch nicht wirtschaftlich genug.
Natter sieht nur einen ernstzunehmenden Konkurrenten zur Hefe: Algen. Diese seien reizvoll, weil sie direkt Sonnenlicht und CO2 in Fett umwandeln können, allerdings würden auch sie große Flächen benötigen und im Vergleich zu Hefe sehr langsam wachsen. Hefe vermehrt sich etwa zehn Mal schneller als Algen.
Dieselproduktion durch Hefe
Wichtig ist auch der „Zellaufschluss“, wie man also das Fett aus der Zelle bekommt. „Das Extrahieren der Fetttröpfchen aus der Zelle ist ein aufwändiger Prozess“, erklärt Natter. Ideal für eine biotechnologische Umsetzung wäre es daher, die Zelle dazu zu bringen, dass sie das produzierte Fett von selbst ausscheidet. Dafür gibt es aber derzeit, laut Natter, noch keine brauchbare Lösung. Alternativ könnte man eventuell auch den Biodiesel produzieren zu lassen, der von den Zellen sekretiert werden kann. Das funktioniert grundsätzlich, doch die Ausbeuten sind derzeit noch viel geringer als bei der Fettspeicherung in direkt von der Hefe erzeugen lassen. Dann könnten vielleicht in Zukunft, Hefezellen, die sich von Zellulose ernähren, direkt Biodiesel produzieren und diesen selbstständig ausscheiden. „In der Grundlagenforschung zur Fettproduktion von Hefe sind wir inzwischen sehr weit. Jetzt geht es darum, das in die Anwendung zu bringen,“ so Natter.
Zur Person
Klaus Natter ist Assoziierter Professor am Institut für Molekulare Biowissenschaften der Karl-Franzens-Universität Graz. In seinen Forschungsarbeiten befasst er sich mit der Regulation des Lipidstoffwechsels und mit anwendungsorientierten Ansätzen zur Entwicklung von Hefestämmen für die biotechnologische Produktion von Fetten und fettähnlichen Substanzen.
Publikationen
Bhutada, G., Kavšček, M., Ledesma-Amaro, R., Thomas, S., Rechberger, G.N., Nicaud, J.-M., Natter, K.: Sugar versus fat: Elimination of glycogen storage improves lipid accumulation in Yarrowia lipolytica. FEMS Yeast Research, 2017 doi: 10.1093/femsyr/fox020
Kavšček, M., Stražar, M., Curk, T., Natter, K., Petrovič, U.: Yeast as a cell factory: current state and perspectives. Microbial Cell Factories, 2015 doi: 10.1186/s12934-015-0281-x
Kavšček, M., Bhutada, G., Madl, T., Natter, K.: Optimization of lipid production with a genome-scale model of Yarrowia lipolytica. BMC Systems Biology, 2015 doi: 10.1186/s12918-015-0217-4
