„Life in bioplastic, it’s fantastic!“

Oder wie eine Tübinger Forschergruppe Cyanobakterien genetisch modifiziert, um Bioplastik herzustellen.

Plastik prägt maßgeblich unsere Umwelt und ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken – seien es Kleider aus Polyester oder Lebensmittelverpackungen. Jährlich werden weltweit 400 Millionen Tonnen Plastik hergestellt – Tendenz steigend! Dabei gelangen nicht wenige Plastikverpackungen in die Umwelt, in unsere Meere, in unsere Böden und nicht zuletzt in Form von Mikroplastik in die Nahrungskette. Umso besser also, dass Forscher wie Dr. Moritz Koch an der Universität Tübingen daran forschen, eine nachhaltige Alternative zu erschaffen: Bioplastik.

Bioplastik – was ist das überhaupt? Es ist oft unklar, was genau damit gemeint ist – biologisch abbaubare Kunststoffe oder Kunststoffe, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren? Beides, lautet die Antwort, weshalb oft Missverständnisse entstehen. Biologische Abbaubarkeit geht nicht unbedingt mit biogener Herkunft einher, sodass manche als „Bioplastik“ vermarktete Produkte entgegen der Erwartungen der Verbraucher nicht auf dem Kompost verrotten. Das Biopolymer PHB, das in Zellen verschiedener Organismen synthetisiert wird, erfüllt beide Kriterien und ist somit eine vielversprechende Alternative zu Plastik auf Erdöl-Basis.

„PHB, also Polyhydroxybuttersäure, ist sehr häufig in der Natur zu finden. Es gibt sogar in menschlichen Zellen kurze Fragmente von PHB in der Zellwand“, erklärt Koch, der sich schon im Master eingehend mit Mikrobiologie beschäftigt hat. In vielen Bakterien dient das Polymer als Speicherstoff für Kohlenstoff und Energie. Die Funktion des Polymers in Cyanobakterien, die auch unter dem missverständlichen Begriff „Blaualgen“[1] bekannt sind, sei aber noch nicht geklärt.

Eine wichtige Eigenschaft, die PHB als Bioplastik einsetzbar macht, ist seine biologische Abbaubarkeit und seine Biokompatibilität. „Im Moment ist die Hauptanwendung von PHB in der Medizin. Man kann Produkte aus PHB in den Körper einbringen, ohne dass dies eine Immunreaktion hervorruft“, fügt Moritz Koch hinzu. Das Bioplastik kann aber auch zu Lebensmittelverpackungen, die meist sehr kurzlebig sind, verarbeitet werden. PHB hat nämlich ähnliche Eigenschaften wie Polypropylen, einem gängigen Kunststoff, und kann daher mit den bisher bestehenden Maschinen weiterverarbeitet werden. Dies stellt aus wirtschaftlicher Sicht einen großen Vorteil dar.

Die Reaktion der Industrie auf ein neu entwickeltes Bioplastik lautet immer : „Ach um Himmels Willen, können wir unsere Maschinen weiterverwenden?“. PHB stelle daher eine „coole Kombination“ dar: Es ist robuster als Verpackungen auf Cellulosebasis wie Pappe und gleichzeitig in der Natur von Bakterien und Pilzen gut abbaubar.

[1] Cyanobakterien sind Prokaryoten, die im Gegensatz zu Algen keinen Zellkern besitzen. Daher ist der Begriff „Blaualgen“ missverständlich. 


Moritz Koch hat von 2013-2016 seinen Master in Mikrobiologie und Bioethik an der Universität Tübingen gemacht. Im Rahmen seiner Doktorarbeit erforschte er im Labor von Prof. Karl Forchhammer, wie der PHB-Stoffwechsel in Cyanobakterien funktioniert.

Superhelden in der Gestalt von Cyanobakterien?

Eine Schlüsselrolle in Kochs Forschung spielen Cyanobakterien – jene photosynthetisch aktiven Einzeller, die das Leben, so wie wir es kennen, möglich machten. „Photosynthese ist ziemlich geil – ein natürlicher Mechanismus, bei dem die Energie des Sonnenlichts genutzt und Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre rausgefischt wird“, erklärt Moritz Koch. Als Abfallprodukt entsteht dabei Sauerstoff, der für viele Organismen lebenswichtig ist.

In heterotrophen Bakterien, also Mikroorganismen, die wie wir Menschen organische Moleküle wie Glucose als Energie- bzw. Kohlenstoffquelle nutzen, beträgt der Gehalt an PHB ungefähr 80% des Trockengewichts. In photoautotrophen Mikroorgansimen wie Cyanobakterien hingegen, die Kohlenstoffdioxid fixieren, beträgt der PHB-Gehalt nur etwa 10% der Biomasse. Aufgrund der geringen Ausbeute ist es bisher zu teuer gewesen, PHB mithilfe von Cyanobakterien herzustellen. Wenn aber die Akkumulation des Biopolymers in Cyanobakterien gesteigert wird, drückt dies den Preis, sodass PHB als Bioplastik marktreif wird und eine Alternative zu Bioplastik aus Lebensmitteln wie Mais darstellt.

Heterotrophe Organismen können im Gegensatz zu photoautotrophen Organismen wie Pflanzen oder Cyanobakterien keine anorganischen Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid zum Aufbau ihrer Biomasse nutzen. Sie sind auf organische Verbindungen angewiesen.

Trotz aller Widrigkeiten haben die „Metabolic Engineers“ um Dr. Moritz Koch es geschafft, den PHB- Anteil auch in Cyanobakterien auf über 80% zu steigern – mithilfe von Gentechnik. Da die Cyanobakterien aber sozusagen von Luft und Liebe – äh… Kohlendioxid, Sonnenlicht und Wasser leben, können sie in Bioreaktoren gezüchtet werden, die man überall aufstellen könnte – etwa in der Wüste Gobi.

Die Produktion des Bioplastiks mithilfe von heterotrophen Bakterien im großen Stil hingegen würde die Lebensmittelversorgung der Menschen gefährden. Heterotrophe Bakterien ernähren sich nämlich von organischem Material, für dessen Erzeugung landwirtschaftliche Nutzflächen benötigt werden. Daher ist es moralisch gesehen sehr heikel, PHB mithilfe von heterotrophen Bakterien herzustellen: Es entsteht eine Konkurrenz um Nutzflächen, die eigentlich dem Nahrungsmittelanbau dienen könnten bzw. sollten.

„Daher finde ich die Idee, mit Cyanobakterien sinnvolle Produkte herzustellen, super!“, sagt Moritz Koch. Sie könnten die ganze Chemieindustrie revolutionieren – indem man sie gentechnisch so verändert, dass sie nicht nur Bioplastik, sondern auch noch viele andere Stoffe nachhaltig herstellen. Es gäbe beispielsweise auch schon Ansätze, mithilfe der „genügsamen“ Einzeller Biosprit herzustellen.

Von der Chlorose – oder Bären im Winterschlaf

Wie aber funktioniert die gentechnische Modifizierung genau, um den PHB-Gehalt zu steigern?
Dazu ist es wichtig, zu verstehen, in welchen Situationen PHB in der Zelle produziert wird. Es ist ein fein abgestimmter Prozess, der in Gang kommt, wenn der Zelle klar wird, dass ihr ein wichtiges Element, wie z.B. Stickstoff, zum Wachsen fehlt – als würde uns das Essen ausgehen. Da Cyanobakterien im Laufe ihrer Evolution mit Nährstoffmangel auch über längere Zeiträume klarkommen mussten – gegebenenfalls über Monate und Jahre hinweg -, haben sie einen Überdauerungsmechanismus, die Chlorose, entwickelt.

Das ist ein bisschen vergleichbar mit Bären im Winterschlaf, nur dass dieser „Schlaf“, dieser Ruhezustand, auch über sehr viel längere Zeit aufrecht erhalten werden kann, als dies bei Bären der Fall ist. Genau wie bei Bären im Winter wird der Stoffwechsel komplett heruntergefahren, die Photosysteme, in denen die Photosynthese stattfindet, werden „aufgefuttert“, da diese Stickstoff enthalten. „Die Zelle verdaut sich im Prinzip selbst“, erklärt Moritz Koch. Da das Chlorophyll abgebaut wird, bleichen die Zellen aus. Der geschaffene Platz im Inneren der Zelle wird zunächst mit Glykogen (einem Kohlenhydrat, das als Kohlenstoff- und Energiespeicher dient) und im späteren Chlorose-Stadium mit PHB ausgefüllt. Sobald Stickstoff wieder verfügbar ist, detektiert die Zelle dies und ist nach kurzer Zeit wieder komplett vital – ein kleines Wunder!

Der zellinterne Regulationsmechanismus

Das PII- Protein, das Koch auch als „Supercomputer der Zelle“ bezeichnet, spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der Umgebungseindrücke oder dem Zustand der Zelle. PII arbeitet wie ein Sensor, der registriert, wie viel Stickstoff z.B. in der Zelle vorhanden ist und aktiviert infolgedessen Transporter in der Membran, sodass weniger oder mehr Stickstoff eingelassen wird. Dieses Signalprotein schaltet also andere Proteine an oder aus und bindet beispielsweise auch das PirC-Protein, das den Kohlenstofffluss reguliert.
Dieses kann, wenn es nicht mehr an PII gebunden ist, PGAM inhibieren, also blockieren. PGAM ist ein wichtiges Enzym, das den Kohlenstofffluss durch die Zelle ermöglicht. Ist es blockiert, verbleibt der Kohlenstoff im Glykogen und kann dementsprechend nicht beim PHB „landen“. Was haben die Tübinger Mikrobiologen also gemacht?- Sie haben das Gen, das das PirC-Protein codiert, gelöscht. Jedes Enzym und jedes Protein, jede „Maschine der Zelle“ ist nämlich in Genen codiert. Ohne PirC wird das Enzym PGAM nicht mehr blockiert, es mutiert zum Workaholic, der Kohlenstoff fließt vom Glykogen durch die Zelle und PHB akkumuliert.


Von links nach rechts: PII, der Sensor der Zelle, nimmt wahr, wie viel Stickstoff in der Zelle vorhanden ist, aktiviert Transporter in der Membran und schaltet Proteine an oder aus. Wenn PirC nicht mehr an PII gebunden ist, blockiert es PGAM. Damit ist der Kohlenstofffluss durch die Zelle „beschränkt“ und die übermäßige Anhäufung von PHB wird verhindert.

Aber wie löscht man denn überhaupt ein Gen?
Generell gibt es viele verschiedene Methoden, um ein spezifisches Gen zu löschen. Die Methode, die Dr. Moritz Koch angewandt hat, basiert auf dem „Austricksen“ der Zelle. Man gibt der Zelle ein anderes Stück DNA, das in den Außenbereichen des Gens, das ausgelöscht werden soll, übereinstimmt. In der Mitte befindet sich statt des Gens, das das PirC-Protein codiert, etwas anderes. Die Zelle stellt fest, dass es zwei sehr ähnliche DNA-Sequenzen sind und zweifelt an ihren Replikationsfähigkeiten, also korrigiert sie ihren vermeintlichen Fehler: Sie schmeißt die Sequenz mit dem PirC-Gen raus, die andere Sequenz wird integriert. So kann man ganz spezifisch und gezielt Gene auslöschen. Die DNA-Stücke mit den spezifischen Außenbereichen kann man inzwischen bei spezialisierten Firmen einfach online bestellen – so geht Gentechnik im 21. Jahrhundert.

„Ich glaube nicht, dass Gentechnik eine Wunderwaffe ist, die alle unsere Probleme lösen wird.“

Auf die Frage, ob Koch in Bezug auf die Gentechnik nicht doch ethische Bedenken habe, antwortet er lapidar, gerade die ethischen Bedenken hätten ihn zu seiner Forschung geführt, zu seiner Arbeit mit Cyanobakterien und Gentechnik. „Ich denke, es gibt sinnlose und auch gefährliche gentechnische Ansätze, aber es gibt auch sehr sinnvolle. Da muss man jedes Mal individuell abwägen, wie das Verhältnis von Risiko und Nutzen ist“, führt er aus. In seinem speziellen Fall habe er absolut keine ethischen Bedenken.

Zum einen sei die gentechnische Veränderung der Cyanobakterien ökologisch absolut unbedenklich. Sie würden sich natürlicherweise nicht ausbreiten und die Weltherrschaft übernehmen, wie es bei manchen gentechnisch veränderten Pflanzen befürchtet wird. „Die gentechnisch veränderten Cyanobakterien sind regelrechte Plastikbakterien und würden in der Natur so nicht überleben, sie sind richtige Krüppel im Vergleich zu den Bakterien in der Umwelt“, erklärt der Mikrobiologe. Im Gegensatz zu Tieren könne man die Cyanobakterien aufgrund ihres geringen Leidempfindens guten Gewissens umbringen.

Gentechnisch veränderte Cyanobakterien akkumulieren deutlich mehr PHB (rechts).

Ein wichtiger ökologischer Aspekt der Verwendung von Bioplastik ist, dass durch die biologische Abbaubarkeit von PHB keinerlei Plastikabfall und kein Mikro-Plastik in die Umwelt gelangt. Es entsteht kein neuer „Treibstoff“ für die Müllstrudel in den Ozeanen – die Fläche des größten Strudels im Nordpazifik ist vergleichbar mit der Mitteleuropas. Es drohen auch keine Tiere an Plastik zu ersticken, da sie es fälschlicherweise für Nahrung halten. Durch das Verwenden des biologisch abbaubaren Plastiks nimmt also nicht nur die Umweltverschmutzung durch Plastik auf Erdölbasis ab, sondern auch die Gesundheit von Mensch und Tier profitiert davon langfristig.

Zudem werden die Umweltschäden vermieden, die durch die Plastikherstellung aus Erdöl verursacht werden. Allein die Erdöl-Gewinnung geht oft mit Rodungen von Wäldern und damit der Zerstörung von Lebensräumen einher, ganz zu schweigen von den ökologischen Konsequenzen von Öl-Unfällen. 2017 wurden 53% des Plastikabfalls in Deutschland verbrannt, wodurch Kohlendioxid, das im Untergrund über Jahrmillionen in Form von Erdöl gespeichert war, emittiert wird. Jährlich gelangen weltweit 400 Millionen Tonnen CO2 sowohl durch die Verbrennung, als auch durch die Herstellung von Plastik in die Atmosphäre. Im Gegensatz dazu stellt die Herstellung und der Abbau des Bioplastiks einen geschlossenen Kreislauf dar: Das Kohlendioxid, das durch die Cyanobakterien fixiert wird und im PHB gespeichert ist, gelangt durch den mikrobiellen Abbau wieder in die Atmosphäre.

„Ich glaube nicht, dass Gentechnik eine Wunderwaffe ist, die alle unsere Probleme lösen wird. Gleichzeitig haben wir aktuell so viele globale Probleme ökologischer Art, dass wir gucken müssen, dass wir zurande kommen. Nach meinem Verständnis ist Gentechnik ein weiterer Pfeil in unserem Köcher, eine Möglichkeit in unserem Blumenstrauß an Möglichkeiten, die wir uns auch zunutze machen sollten“, legt Koch dar.

Pessimistisch gesehen fanden bisher alle Experimente im Labor statt, wobei PHB bislang lediglich im Gramm-Maßstab herstellt wurde. Für die Herstellung von Plastiktüten werden aber deutlich größere Mengen benötigt, damit die neuen Produkte aus PHB überhaupt einen relevanten Anteil vom Welthandel einnehmen. Es brauche im nächsten Schritt also Firmen, die sagen: „Hey, coole Technik, ich habe die Maschinen und versuche das jetzt hochzuskalieren.“

„Manchmal scheitern Projekte an diesem Schritt, aber das ist auch das, woran wir gerade dran sind“, erläutert Koch. Er macht ganz klar deutlich, dass seine Forschung lediglich als Teil einer Gesamtlösung anzusehen ist und dass es viel komplexere Lösungen braucht, um die sehr großen und drängenden Probleme wie die Plastikverschmutzung im Meer und den Klimawandel anzugehen. Denn die Plastik-Alternative kann selbst im besten Fall konventionelles Plastik in vielen Bereichen auch zukünftig nicht ersetzen. Wichtig sei deswegen, dass wir als ersten Schritt Produkte so designen, dass sie gut zu recyclen sind und gleichzeitig eine gute Recycling-Infrastruktur aufbauen. Weiterhin solle die Politik Anreize schaffen, weniger Plastik zu nutzen. Nur dann kann die Etablierung von Bioplastik einen Beitrag dazu leisten, dass wir mittelfristig eine Welt ohne Plastik im Meer haben werden.

Gerade in Ländern wie Thailand ist die Plastikverschmutzung sehr präsent und Anblicke wie dieser keine Seltenheit.

„Nachhaltigkeit ist sexy!“

Forschungsprojekte allein, wie das der Tübinger Mikrobiologen, reichen also nicht aus, um den globalen Herausforderungen zu begegnen: Für uns als Gesellschaft ist es oft sehr bequem, sich darauf zu verlassen, dass die Forschung die globalen Probleme löst – nach dem Motto „Jaja, die Jungs und Mädels in Tübingen machen fancy Forschung und haben sich was Geiles überlegt. Wir können deshalb weiter so konsumieren als gäbe es kein Morgen.“ Diese wissenschaftlichen Ideen und Ansätze müssen mit dem gleichzeitig stattfindenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandel zu einem allgemeinen Diskurs führen, in dessen Mittelpunkt Fragen wie „wie konsumieren, wie leben wir? Wie ernähren wir uns?“ stehen.

Der Themenkomplex der Nachhaltigkeit habe so viele Fragestellungen, die wir beantworten könnten und sollten. Aber nicht nur die Mikrobiologie könne Antworten auf diese Fragen geben, sondern zum Beispiel auch die Sozialwissenschaften oder die Politikwissenschaften. Koch ist davon überzeugt, dass dies Hand in Hand gehen muss. „Daher möchte ich an alle jungen Forscher und Forscherinnen da draußen, die vielleicht gerade noch mitten in ihrem Studium stecken, appellieren: Sucht euch in eurer Forschung ein Thema aus, das die globalen Probleme unserer Zeit angeht.“

Die Beschäftigung mit Nachhaltigkeit in der Forschung kann sich durchaus auszahlen, wie das Beispiel von Moritz Koch zeigt. Seine Promotion wurde nicht nur mit der Bestnote summa cum laude an der Universität Tübingen ausgezeichnet, sondern wurde 2020 deutschlandweit zu den drei besten Promotionen im Fachgebiet Mikrobiologie des Jahres gewählt! Das sei auch dem geschuldet, dass Nachhaltigkeit ein „sexy“ Thema ist. „Zudem leistet ihr Studentinnen und Studenten mit eurer Forschung nicht nur einen Nachhaltigkeitsbeitrag, sondern am Ende ruft auch noch die Kupferblau bei euch an und will ein Interview mit euch führen!“, lacht Koch. Also wenn das nicht Motivation genug ist…

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Für alle, deren Interesse nun geweckt ist und die sich weiter über aktuelle Forschung zum Thema Plastik in der Umwelt informieren möchten:
https://www.bmbf-plastik.de/de/veranstaltung/abschlusskonferenz-plastik-der-umwelt-quellen-senken-loesungsansaetze

Wer noch tiefer in die Mikrobiologie einsteigen möchte, findet hier den Forschungsbericht der Tübinger Mikrobiologen:
https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-020-01491-1


Bilder:

Beitragsbild: Maren Seehuber
Bild von Moritz Koch: Ferdinand Salomon
Cyanobakterien: Moritz Koch
Skizzen und Plastik unter Palmen: Marie Geisbusch

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