01.07.2020 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Neuer Kandidat für Rohstoffsynthese durch Gentransfer

Fossile Rohstoffe ersetzen: Cyanobakterien als Produzenten von Ethanol oder Wasserstoff?

Cyanobakterien brauchen kaum Nährstoffe und nutzen die Energie des Sonnenlichts. Badegäste kennen die – oft fälschlich „Blaualgen“ genannten – Mikroorganismen von ihrem Auftreten in Gewässern. Eine Forschergruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat herausgefunden, dass sich die mehrzellige Art Phormidium lacuna durch natürliche Transformation genetisch verändern lässt und dadurch zum Beispiel Ethanol oder Wasserstoff produzieren könnte.

Bei der Transformation wird eine Zelle durch die Aufnahme von Erbsubstanz (DNA) genetisch verändert. Dieser in der Natur häufig ablaufende Vorgang lässt sich nutzen, um gezielt DNA in eine Zelle einzuschleusen und sie mit einer bestimmten Eigenschaft auszustatten. „Natürliche Transformation bedeutet, dass DNA von Zellen ohne weitere Hilfsmittel aufgenommen wird“, sagt Professor Tilman Lamparter, Professor am Institut für Botanik – Allgemeine Botanik am KIT. Sie geht auf einfache Weise, ohne Konjugation – die Verbindung mit einer weiteren Zelle – und ohne Elektroperforation – die die Zellwand durchlässig macht – vonstatten. Da die natürliche Transformation bislang nur an einzelligen Cyanobakterien erfolgreich war, ging man davon aus, dass sie ausschließlich bei einzelligen Arten möglich sei. Die Untersuchungen der Forschergruppe am KIT zeigen, dass die natürliche Kompetenz, freie DNA aufzunehmen, bei Cyanobakterien häufiger vorkommt, als zuvor vermutet. In der Online-Fachpublikation PLOS ONE (Public Library of Science) berichten sie erstmals über einen Gentransfer für die Gattung Phormidium lacuna und über natürliche Transformation an einem mehrzelligen, fadenartigen Cyanobakterium.

Beitrag zur Bioökonomie: fossile Rohstoffe ersetzen

Für die natürliche Transformation müssen sich die Zellen in einem physiologischen Zustand befinden, der als natürliche Kompetenz bezeichnet wird, damit die Empfängerzelle DNA aktiv in das Zytoplasma transportieren kann. Die Wissenschaftler haben sich die natürliche Transformation zunutze gemacht und neue Erbinformation in das Genom von Phormidium lacuna integriert. Die mehrzelligen Cyanobakterien, die ihre Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen, bieten den Vorteil, dass sie einen Biofilm bilden und in einer hohen Zelldichte wachsen, die sich schnell abtragen lässt. Mehrere Stämme dieser fadenförmig wachsenden Art hatten die Wissenschaftler des KIT aus der Nordsee und dem Mittelmeer isoliert und das Genom eines Stammes sequenziert.

Die von den Forschern etablierte Technik, mehrzellige Cyanobakterien durch das Einschleusen genetischer Information zu verändern, eröffnet vielfältige Möglichkeiten für die Grundlagenforschung und für mögliche Anwendungen. „Mit Hilfe der natürlichen Transformation haben wir bereits zahlreiche sogenannte Knockout-Mutanten erstellt, das heißt, es ist uns gelungen, bestimmte Gene abzuschalten und so ihre Funktion zu erkennen“, sagt Lamparter. Eine zukunftsweisende Anwendungsmöglichkeit wäre es, Ethanol, Wasserstoff oder Lactat sowie andere Bioprodukte in den Zellen zu synthetisieren und damit einen Beitrag zur Bioökonomie und zum Wandel von der erdölbasierten Wirtschaft zu einer auf nachhaltigen Ressourcen fußenden Marktwirtschaft zu leisten. „Die Vision ist es, mit dieser Technik fossile Rohstoffe zu ersetzen“, so der Biologe.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Biotechnologie
Mehr über KIT
  • News

    Anodenmaterial für sichere und langlebige Batterien

    Ein vielversprechendes Anodenmaterial für künftige Hochleistungsbatterien haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Jilin-Universität in Changchun/China untersucht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO). Wie das Team in der Zeitschrift Na ... mehr

    Verbesserte Prüfverfahren für sichere Batteriesysteme

    Die Entwicklung innovativer Batteriesysteme setzt verlässliche Sicherheitsprüfungen der verwendeten Lithium-Ionen-Zellen unter Realbedingungen voraus. An der Entwicklung verbesserter Standards, die für mehr Sicherheit, aber auch für mehr Flexibilität im Batteriedesign sorgen sollen, arbeite ... mehr

    Mikrobielle Cyborgs: Bakterien als Stromlieferanten

    Noch bestehen elektronische Geräte aus unbelebten Materialien. Eines Tages könnten jedoch „mikrobielle Cyborgs“ in Brennstoffzellen, Biosensoren oder Bioreaktoren nützlich sein. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologe (KIT) haben hierzu die Voraussetzung geschaffen, indem si ... mehr

  • Videos

    Bioliq: Energiegewinnung aus Reststoffen – komplette Prozesskette läuft

    Die bioliq®-Pilotanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) läuft erfolgreich über die gesamte Prozesskette. Alle Stufen des Verfahrens sind nun miteinander verbunden: Schnellpyrolyse, Hochdruck-Flugstromvergasung, Heißgasreinigung und Synthese. Durch bioliq® wird Restbiomasse in u ... mehr

    Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen

    Lithium-Batterien sollten bei Transport, Montage und im Betrieb wirklich sicher sein. KIT-Wissenschaftler erklären, welche Faktoren dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. mehr

    Kleben wie ein Gecko: selbstreinigend und haftsicher

    Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch auf glatten Flächen einwandfrei. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh haben nun den ersten Klebstreifen entwickelt, der nicht nur genauso hafts ... mehr

  • Stellenangebote

    Wissenschaftliche Mitarbeiterin / Wissenschaftlicher Mitarbeiter – mit abgeschlossener Promotion –

    Wir suchen für das Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) zum 01.07.2020, befristet bis 30.06.2023, eine/einen Wissenschaftliche Mitarbeiterin / Wissenschaftlichen Mitarbeiter – mit abgeschlossener Promotion – Zu Ihren Aufgaben in der Forschungsgruppe „Zellen ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Forschungsgegenstand des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist das Studium molekularer Interaktionen an fest/gas und fest/flüssig Grenzflächen. Aus der Untersuchung von Grundlagenprozessen auf der Nano-Ebene gewonnene Erkenntnisse werden konsequent auf die Makro-Ebene technische ... mehr

    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytische Quantifizierung von Gluten in Lebensmitteln

    Der Gesetzgebung zufolge dürfen Lebensmittel, die mit einem Glutenfrei-Symbol versehen sind, nicht mehr als 20 mg Gluten pro Kilogramm enthalten, was für Zöliakie-Betroffene aus gesundheitlichen Gründen lebenswichtig ist. mehr

    Bewertung der Lungentoxizität von Luftschadstoffen

    Die aktuellen Diskussionen zu Fahrverboten in europäischen Städten zeigen einerseits den hohen Stellenwert, den die Bevölkerung der Luftqualität zumisst, und andererseits den Mangel an Methoden, die von Luftschadstoffen ausgehende Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit direkt zu bewerten. mehr

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Katharina Scherf

    Katharina Scherf, Jahrgang 1985, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München (TUM). Ihre Promotion und Habilitation erwarb sie ebenfalls an der TUM und war als leitende Wissenschaftlerin am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der TUM tätig. 2019 wurde ... mehr

    Majlinda Xhaferaj

    Majlinda Xhaferaj, Jahrgang 1992, schloss ihr Lebensmittelchemiestudium im Jahr 2018 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ab. Seit 2019 ist sie Doktorandin in der Abteilung für Bioaktive und Funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mit dem Schwerpunkt der Glutenanalytik zur Verbesseru ... mehr

    Dipl. Ing. Sonja Mülhopt

    Sonja Mülhopt erwarb 2000 ihr Diplom für Maschinenbau an der Berufsakademie (heute DHBW) Mannheim. Die begleitende Ausbildung durchlief sie am Forschungszentrum Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2014 erhielt sie den Master of Science für Chemieingenieurwesen ... mehr