24.11.2021 - University at Buffalo

Wie zuckerliebende Mikroben den Antrieb künftiger Autos unterstützen könnten

Gentechnisch veränderte E. coli fressen Glukose und helfen dann, sie in Moleküle umzuwandeln, die in Benzin vorkommen

Es klingt wie moderne Alchemie: Die Umwandlung von Zucker in Kohlenwasserstoffe, wie sie in Benzin vorkommen. Aber genau das haben Wissenschaftler getan.

In einer in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlichten Studie berichten Forscher, dass sie die Wunder der Biologie und der Chemie genutzt haben, um Glukose (eine Zuckerart) in Olefine (eine Kohlenwasserstoffart und eine von mehreren Arten von Molekülen, aus denen Benzin besteht) zu verwandeln.

Das Projekt wurde von den Biochemikern Zhen Q. Wang an der University of Buffalo und Michelle C. Y. Chang an der University of California, Berkeley, geleitet.

Die Arbeit stellt einen Fortschritt bei den Bemühungen um die Entwicklung nachhaltiger Biokraftstoffe dar.

Olefine machen nur einen geringen Prozentsatz der Moleküle in dem derzeit hergestellten Benzin aus, aber das von dem Team entwickelte Verfahren könnte in Zukunft wahrscheinlich so angepasst werden, dass auch andere Arten von Kohlenwasserstoffen erzeugt werden können, einschließlich einiger der anderen Bestandteile des Benzins, so Wang. Sie weist auch darauf hin, dass Olefine nicht nur für Kraftstoffe, sondern auch für industrielle Schmiermittel und als Vorprodukte für die Herstellung von Kunststoffen verwendet werden.

Ein zweistufiger Prozess mit zuckerfressenden Mikroben und einem Katalysator

Für die Studie fütterten die Forscher zunächst E. coli-Stämme mit Glukose, die für die menschliche Gesundheit unbedenklich sind.

"Diese Mikroben sind Zuckerjunkies, sogar schlimmer als unsere Kinder", scherzt Wang.

Die E. coli in den Experimenten wurden gentechnisch so verändert, dass sie eine Reihe von vier Enzymen produzieren, die Glukose in Verbindungen namens 3-Hydroxyfettsäuren umwandeln. Als die Bakterien die Glukose aufnahmen, begannen sie auch, die Fettsäuren herzustellen.

Um die Umwandlung abzuschließen, verwendete das Team einen Katalysator namens Niobpentoxid (Nb2O5), um unerwünschte Teile der Fettsäuren in einem chemischen Prozess abzuspalten, wodurch das Endprodukt entstand: die Olefine.

Die Wissenschaftler identifizierten die Enzyme und den Katalysator durch Ausprobieren, indem sie verschiedene Moleküle mit Eigenschaften testeten, die sich für die anstehenden Aufgaben eigneten.

"Wir haben das, was die Biologie am besten kann, mit dem, was die Chemie am besten kann, kombiniert, um diesen zweistufigen Prozess zu schaffen", sagt Dr. Wang, Assistenzprofessor für Biowissenschaften am UB College of Arts and Sciences. "Mit dieser Methode konnten wir Olefine direkt aus Glukose herstellen."

Glukose entsteht bei der Photosynthese, bei der CO2 aus der Luft entnommen wird.

"Die Herstellung von Biokraftstoffen aus erneuerbaren Ressourcen wie Glukose hat ein großes Potenzial, die grüne Energietechnologie voranzubringen", sagt Wang.

"Glukose wird von Pflanzen durch Photosynthese erzeugt, bei der Kohlendioxid (CO2) und Wasser in Sauerstoff und Zucker umgewandelt werden. Der Kohlenstoff in der Glukose - und später in den Olefinen - stammt also tatsächlich aus Kohlendioxid, das der Atmosphäre entzogen wurde", erklärt Wang.

Es sind jedoch noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Vorteile der neuen Methode zu verstehen und um herauszufinden, ob sie für die Herstellung von Biokraftstoffen oder für andere Zwecke effizient eingesetzt werden kann. Eine der ersten Fragen, die beantwortet werden muss, ist, wie viel Energie das Verfahren zur Herstellung der Olefine verbraucht; wenn die Energiekosten zu hoch sind, müsste die Technologie optimiert werden, um im industriellen Maßstab praktikabel zu sein.

Die Wissenschaftler sind auch daran interessiert, die Ausbeute zu erhöhen. Derzeit werden 100 Glukosemoleküle benötigt, um etwa 8 Olefinmoleküle zu produzieren, sagt Wang. Sie möchte dieses Verhältnis verbessern, indem sie E. coli dazu bringt, mehr 3-Hydroxyfettsäuren für jedes Gramm Glukose zu produzieren, das verbraucht wird.

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