Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

Sonnenlicht ist der Motor, der das Leben im Ozean antreibt, aber für die winzigen, einzelligen Pflanzen, die als Mikroalgen bekannt sind, kann zu viel des Guten zum Problem werden. Diese mikroskopischen Organismen verlassen sich auf ein grünes Pigment namens Chlorophyll, um Lichtenergie einzufangen und sie in Nahrung und Wachstum umzuwandeln. Wenn sich diese Zellen jedoch in einem großen Tank dicht an dicht drängen, bildet ihre hohe Konzentration an grünem Pigment eine Barriere. Die Zellen an der Außenseite absorbieren fast das gesamte Licht und werfen einen tiefen Schatten, der die Zellen in der Mitte verhungern lässt. Dieses Phänomen, das oft als „Schatteneffekt“ bezeichnet wird, begrenzt, wie viel Biomasse die gesamte Kultur produzieren kann, was es schwierig macht, diese Organismen effizient in großem Maßstab für Kraftstoffe oder andere Produkte zu züchten.

Wissenschaftler suchen schon lange nach Wegen, diese Einschränkung zu umgehen, indem sie Stämme von Mikroalgen finden oder erschaffen, die nicht so viel Chlorophyll zum Überleben benötigen. Wenn ein Stamm mit weniger grünem Pigment wachsen könnte, würde dies ermöglichen, dass das Licht tiefer in die Kultur eindringt, wodurch mehr Zellen gleichzeitig wachsen können und die Gesamternte steigt. Ein Team von Forschern an der Technischen Universität Kreta in Griechenland hat diese Herausforderung kürzlich angegangen, indem sie mit einer speziellen Art von stäbchenförmiger Mikroalge namens Stichococcus arbeiteten. Ihr Ziel war es, eine Version dieses Organismus zu erschaffen, die natürlicherweise weniger Chlorophyll produziert, aber schneller wächst und wertvollere Chemikalien wie Öle und Zucker als ihre wilden Gegenstücke produziert.

Um dies zu erreichen, nutzten die Forscher eine Technik namens chemische Mutagenese. Sie setzten eine Kultur der Wildform von Stichococcus einer chemischen Substanz namens Ethylmethansulfonat aus, die wie ein Randomisierer für den genetischen Code des Organismus wirkt. Dieser Prozess führt kleine, unvorhersehbare Veränderungen in die DNA der Zellen ein. Das Ziel war nicht, eine spezifische Veränderung zu entwerfen, sondern eine große Vielfalt an zufälligen Mutationen zu erzeugen und dann unter den Überlebenden diejenigen herauszufiltern, die zufällig weniger Chlorophyll besaßen. Das Team passte die Konzentration der Chemikalie sorgfältig an, um sicherzustellen, dass nur etwa fünf Prozent der Zellen die Behandlung überlebten – ein Stressniveau, das das Entstehen neuer Merkmale fördert, ohne die gesamte Population auszulöschen.

Nach der chemischen Behandlung kultivierten die Forscher die überlebenden Zellen auf festen Agar-Platten und warteten, bis diese zu sichtbaren Kolonien heranwuchsen. Sie suchten nach Kolonien, die farblich heller erschienen als das tiefe Grün des ursprünglichen Wildstamms. Aus diesen wählten sie zwei spezifische Stämme aus, die sie EMS1 und EMS2 nannten, weil sie am blassesten erschienen. Um zu bestätigen, dass es sich bei diesen helleren Farben um eine dauerhafte genetische Veränderung und nicht nur um eine vorübergehende Reaktion handelte, züchtete das Team diese Stämme über drei Generationen hinweg in flüssigem Meerwasser. Sie verglichen dann die Leistung dieser neuen Mutanten mit dem ursprünglichen Wildtyp unter identischen Bedingungen und maßen dabei, wie viel Biomasse sie produzierten, wie viel Chlorophyll sie enthielten und wie viel Öl und Kohlenhydrate sie speicherten.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Vorteil für die mutierten Stämme. Der beste Performer, der Stamm EMS1, wuchs signifikant schneller und produzierte mehr Gesamtbiomasse als der Wildtyp. Am Ende des zweiwöchigen Experiments erreichte die EMS1-Kultur eine Dichte von 2,47 Gramm pro Liter, während der Wildtyp nur 2,20 Gramm pro Liter erreichte. Viel wichtiger war, dass der EMS1-Stamm signifikant weniger Chlorophyll enthielt. Während der Wildtyp etwa 11 Milligramm Chlorophyll pro Gramm Trockenbiomasse besaß, enthielt der EMS1-Mutant nur etwa 6,29 Milligramm. Diese Reduktion des Pigments bestätigte, dass die Mutation die Fähigkeit des Organismus zur Lichtaufnahme erfolgreich verändert hatte, was potenziell ermöglicht, dass er in dichten Kulturen, in denen die Lichtdurchdringung begrenzt ist, effizienter wächst.

Neben dem schnelleren Wachstum und dem geringeren Grünanteil zeigte der mutierte Stamm auch Potenzial für die Produktion wertvoller industrieller Materialien. Die Forscher fanden heraus, dass der EMS1-Stamm mehr Lipide speicherte – Fette, die in Biokraftstoffe umgewandelt werden können – sowie mehr Kohlenhydrate, die für andere chemische Produkte verwendet werden können. Der Lipidgehalt im EMS1-Stamm stieg auf 21 Prozent seines Trockengewichts, verglichen mit 15 Prozent beim Wildtyp. Ähnlich verhielt es sich mit dem Kohlenhydratgehalt, der auf 44 Prozent des Trockengewichts anstieg, gegenüber 28 Prozent im ursprünglichen Stamm. Die Menge an Protein in den Zellen blieb über alle Gruppen hinweg etwa gleich, was darauf hindeutet, dass die Mutation gezielt die Produktion von Energiespeichersubstanzen steigerte, ohne die grundlegenden strukturellen Bestandteile der Zelle zu beeinträchtigen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser chemische Mutationsprozess eine praktikable Methode zur Verbesserung von Mikroalgenstämmen für die Großproduktion ist. Der EMS1-Stamm mit seinem niedrigeren Chlorophyllgehalt und seinem höheren Ertrag an Biomasse und wertvollen Chemikalien stellt einen bedeutenden Fortschritt dar. Die Forscher planen, diesen spezifischen Stamm in zukünftigen Experimenten mit Biofilm-Photobioreaktoren einzusetzen – Systemen, in denen die Algen auf festen Oberflächen statt frei schwimmend wachsen. Durch die Verwendung eines Stammes, der es dem Licht ermöglicht, tiefer in die Kultur einzudringen, hoffen sie, Kohlendioxid aus Industrieabgasen einzufangen und es effizienter in hochwertige Produkte umzuwandeln, wodurch sie ein Abgasgestein in eine Ressource mit niedrigeren Kultivierungskosten verwandeln.