15.06.2022 - University of Southern Denmark - Syddansk Universitet

Entwicklung von Schutzanzügen für hart arbeitende Bakterien

Neue Technik macht Bakterienzellen robuster und effizienter für die Synthese verschiedener Chemikalien unter rauen Einsatzbedingungen

Jeden Tag stellen Chemiefabriken eine breite Palette von Produkten her, auf die eine moderne Gesellschaft nur schwer verzichten kann - von Medikamenten wie Insulin und Antibiotika bis hin zu Düngemitteln.

Die Grundlage solcher Produkte bilden oft Bakterien, die Chemikalien und Medikamente auf effiziente Weise und ohne giftige Nebenprodukte herstellen können, was der Umwelt und der Nachhaltigkeit zugute kommt.

Eine große Herausforderung für diese fleißigen Bakterien besteht darin, dass sie verschiedenen Stressfaktoren ausgesetzt werden müssen, um das gewünschte Produkt herzustellen: Einige Bakterien müssen großer Hitze ausgesetzt werden, andere einem hohen pH-Wert und wieder andere organischen Lösungsmitteln. Obwohl Industriebakterien sehr widerstandsfähig sind, führt dies oft zu ihrem Tod und schließlich zu geringer Effizienz.

Robustere Bakterien

Changzhu Wu, Forschungsleiter am Fachbereich Chemie, Physik und Pharmazie der Universität Süddänemark, und sein Forschungsteam arbeiten an der Entwicklung nachhaltigerer chemischer Prozesse und stellen nun eine neue Technik vor, die Bakterienzellen für die Synthese verschiedener Chemikalien unter rauen Anwendungsbedingungen robuster und effizienter macht.

Das Team beschreibt seine neue Methode, die auf dem Modellbakterium E. coli basiert, in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die meisten Menschen denken bei E. coli wahrscheinlich an ein Bakterium, das das Trinkwasser verunreinigen und Krankheiten verursachen kann, aber die meisten Bakterien dieser Art kommen natürlich in unserem Darm vor und sind harmlos.

E. coli stärker machen

E. coli wird in der Industrie zur Herstellung vieler wichtiger Medikamente und Chemikalien verwendet, da es schnell wächst und einfach und sicher zu verarbeiten ist.

- Aber wie bei anderen Bakterien in der Industrie gehen auch hier viele von ihnen auf dem Weg verloren. Sie sterben einfach an den rauen Bedingungen, die ihnen in diesem Prozess geboten werden, und das mindert die Effizienz, erklärt Changzhu Wu.

Seine Idee ist daher, die E. coli-Bakterien in eine Art Schutzanzug zu stecken, damit sie widerstandsfähiger werden.

Der neue Schutzanzug besteht aus Dopamin-Nanopartikeln (die in Chemikerkreisen dafür bekannt sind, dass sie vor äußeren Stressfaktoren wie Licht schützen), und das Rezept ist einfach: E. coli-Bakterien, Dopamin und Flüssigkeit werden gemischt, und sofort danach heftet sich das Dopamin in Form von Nanopartikeln an die Oberfläche der Bakterienzellen.

- Mit dem Schutzanzug ist das Bakterium gegen UV-Strahlung, Hitze und verschiedene organische Lösungsmittel geschützt, schreiben die Forscher in ihrem wissenschaftlichen Artikel.

Gut für die Nachhaltigkeit

Ein E. coli-Bakterium ohne Schutzanzug überlebt selten länger als zwei Stunden, wenn es UV-Strahlung ausgesetzt wird. Mit dem Schutzanzug sind nach zwei Stunden noch mehr als 85 % am Leben.

Die Forscher testeten auch die Reaktion der Bakterien auf drastische Phasenverschiebungen (z. B. von einer Gasphase in eine flüssige Phase, von einer flüssigen in eine feste usw.). Dabei starben 90 % der ungeschützten Bakterienzellen, während 80 % der geschützten Zellen überlebten.

- Mit solch hohen Überlebensraten kann man die Produktion von chemischen Substanzen in E. coli-Bakterien ausweiten, was gut für die Umwelt und die Nachhaltigkeit ist, schließt Changzhu Wu.

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