In einer heißen Quelle im U.S.-Bundesstaat Nevada haben Wissenschaftler eine Mikrobe entdeckt, die sich als wertvolle Hilfe bei der Produktion von Biokraftstoffen erweisen könnte. Der primitive Einzeller gedeiht nicht nur bestens bei Temperaturen von über 95 Grad Celsius, er ernährt sich zudem bevorzugt von dem Pflanzenmaterial Zellulose.
„Dies sind die hitzetolerantesten Zellulose fressenden Archäa, die bisher entdeckt worden sind und die hitzebeständigste Zellulase überhaupt“, sagt Douglas S. Clark von der University of California in Berkeley. Archäa sind besonders ursprüngliche, bakterienähnliche Einzeller, die häufig in extremen Umweltbedingungen leben. Die Zellulase, das in der Mikrobe enthaltene Enzym, ist am aktivsten bei Temperaturen von 109°C, wie Laborversuche zeigten. Es ermöglicht den Mikroben zudem, ihren gesamten Kohlenstoffbedarf nur aus der kristallinen Zellulose zu decken.
„Unsere Hoffnung ist, dass diese und andere Organismen aus extremen Umgebungen – mit hohen Temperaturen, hohen Salz- oder Säuregehalten – uns Zellulasen liefern könnten, die unter den Bedingungen industrieller Anwendungen, wie der Produktion von Biotreibstoffen, effektiv funktionieren“, sagen die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“.
Hitzebeständige Enzyme für den Zellulose-Abbau gesucht
Zahlreiche industrielle und biotechnische Prozesse nutzen heute Enzyme, die ursprünglich von Mikroben aus extremen Standorten stammen. Mangelware sind jedoch bisher natürliche Enzyme, die das Pflanzenmaterial Zellulose auch bei höheren Temperaturen noch effektiv abbauen können. Eine solche Zellulase könnte beispielsweise die Produktion von Biotreibstoffen aus schwer zersetzbaren Pflanzenfasern wie dem schnell wachsenden Riesen-Chinaschilfgras (Miscanthus giganteus) erleichtern.
Das von den Forschern in der heißen Quelle entdeckte Enzym eröffnet hier nun neue Chancen. Die Zellulase „EBI-244“ ist nicht nur bei Temperaturen über 100 Grad Celsius stabil, sie kann auch besonders widerstandsfähige Zelluloseformen wie die des Chinaschilfgrases zerlegen. „Diese Entdeckung ist interessant, weil sie uns hilft, die Spannbreite der natürlichen Bedingungen genauer zu definieren, unter denen Zellulose abbauende Organismen existieren. Sie zeigt auch, wie häufig solche Mikroben in der Natur vorkommen. Offenbar gibt es eine Menge nützlicher Zellulasen an Orten, an denen wir bisher nicht gesucht haben“, sagt Clark.
Zellulase per Gentechnik identifiziert
Das Forscherteam um Clark und Frank Robb von der University of Maryland in Baltimore sammelte für die Studie Sediment- und Wasserproben aus einer heißen Quelle nahe der Stadt Gerlach in Nevada. Im Labor züchteten sie alle gefundenen Mikroorganismen auf einem Nährmedium aus pulverisierten, fast nur aus Zellulose bestehenden Pflanzenfasern.
Relativ neu war nun der nächste Schritt der Forscher: Die gesamte noch verbliebene Mikrobengemeinschaft unterzogen sie einer DNA-Analyse. Damit gelang es ihnen ein Gen zu identifizieren, dass die zuvor unbekannte, besonders effektive Zellulase kodierte. Weitere Tests mit dem Enzym bestätigten, dass es sich durch seine Hitzebeständigkeit und die einzigartige Struktur seiner Bindungsstellen von allen bisher bekannten Zellulasen unterscheidet. (Nature Communications, 2011; DOI: 10.1038/ncomms1373)
(Nature Communications / University of California, 06.07.2011 – NPO)
