Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

Kunststoffe, die sich in der Natur von selbst abbauen, sind seit langem ein Ziel für Wissenschaftler, die die beständigen Materialien ersetzen wollen, die Deponien und Ozeane verstopfen. Unter den vielversprechendsten Kandidaten ist eine Familie biologisch abbaubarer Kunststoffe namens Polyhydroxyalkanoate oder PHA. Dies sind keine synthetischen Chemikalien, die in einem Labor hergestellt werden, sondern natürliche Speicherstoffe, die bestimmte Bakterien produzieren, wenn sie mehr Nahrung haben, als sie benötigen. Betrachten Sie diese Bakterien als winzige Fabriken, die Energie in Form von Kunststoffgranulaten in ihren Zellen horten. Die Eigenschaften des resultierenden Kunststoffs hängen stark von den Bausteinen oder Monomeren ab, aus denen die Kette besteht. Kürzere Bausteine erzeugen ein starres, sprödes Material, das leicht bricht, während längere Blöcke Flexibilität und Dehnbarkeit einführen, wodurch der Kunststoff eher wie Gummi wird. Jahrzehntelang hatten Forscher damit zu kämpfen, die effizientesten Bakterien dazu zu bringen, diese längeren, flexibleren Blöcke zu produzieren, was den Anwendungsbereich dieser umweltfreundlichen Materialien einschränkte.

Ein Team von Forschern der National Science and Technology Development Agency in Thailand hat einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen. Sie arbeiteten mit einem bekannten Bakterium namens Cupriavidus necator, das berühmt für seine Fähigkeit ist, verschiedene Abfallprodukte in Kunststoff umzuwandeln. Dieses einheimische Bakterium produziert jedoch von Natur aus nur die kurzen, spröden Bausteine. Um dies zu ändern, modifizierten die Wissenschaftler das Bakterium, indem sie ein spezifisches Gen eines anderen Bakterientyps, Pseudomonas putida, hinzufügten, der für seine Fähigkeit bekannt ist, die längeren, flexiblen Blöcke zusammenzusetzen. Diese genetische Modifikation schuf einen neuen Stamm, den die Forscher mcl-C19 nannten. Als dieser neue Stamm mit einer Mischung aus Melasse und gebrauchtem Speiseöl gefüttert wurde, begann er, einen Hybrid-Kunststoff zu produzieren, der sowohl die kurzen, starren Blöcke als auch die längeren, flexiblen Blöcke enthielt. Diese Kombination ergab ein Material mit einer breiteren Palette an Eigenschaften, was es potenziell für viel mehr Anwendungen nutzbar macht als die spröden Versionen, die von den ursprünglichen Bakterien produziert wurden.

Die Forscher hielten nicht beim bloßen Erschaffen des neuen Stammes an, sondern entwickelten auch eine spezifische Fütterungsstrategie, um die Produktion zu maximieren. Bakterien benötigen eine ausgewogene Ernährung, um ihre Zellen zu bilden, aber sie beginnen erst dann, Kunststoff zu horten, wenn sie einem Mangel an bestimmten Nährstoffen ausgesetzt sind, während sie gleichzeitig über reichlich Kohlenstoff verfügen. Um dies auszunutzen, wandte das Team ein zweistufiges Verfahren an. In der ersten Phase fütterten sie die Bakterien mit einer nährstoffreichen Mischung, um sie schnell zu vermehren und eine große Population aufzubauen. Sobald die Population hoch war, wechselten sie zur zweiten Phase, in der sie Impulse von kohlenstoffreicher Nahrung – speziell Melasse und gebrauchtes Palmöl – hinzufügten, ohne zusätzlichen Stickstoff hinzuzugeben. Dies schuf eine unausgewogene Umgebung, die die Bakterien zwang, ihre Energie in die Herstellung von Kunststoff statt in das Wachstum neuer Zellen zu lenken. Durch die sorgfältige Kontrolle dieses Prozesses in einem großen Tank häuften die manipulierten Bakterien eine gewaltige Menge Kunststoff an und erreichten eine Konzentration von 13 Gramm pro Liter, was fast der Hälfte des Gesamtgewichts der Zellen entsprach.

Was diese Errungenschaft besonders bemerkenswert macht, ist die Vielfalt des produzierten Kunststoffs. Die manipulierten Bakterien erzeugten nicht nur eine Art von langem Block; sie schufen eine komplexe Mischung, die sechs verschiedene Arten von Bausteinen enthielt, die von kurzen Ketten aus vier Kohlenstoffatomen bis hin zu längeren Ketten aus zehn Kohlenstoffatomen reichten. Die spezifische Mischung dieser Blöcke änderte sich je nachdem, wie die Bakterien gefüttert wurden. Wenn die Forscher einen einfachen Batch-Prozess verwendeten, bei dem alles auf einmal hinzugefügt wurde, hatte der Kunststoff eine bestimmte Zusammensetzung. Wenn sie die zweistufige Pulsfütterungsmethode anwandten, verschoben sich die Proportionen der verschiedenen Blöcke. Dies deutet darauf hin, dass Wissenschaftler die physikalischen Eigenschaften des Kunststoffs feinabstimmen können – ihn steifer oder elastischer machen –, indem sie einfach den Fütterungsplan und die Art der Abfalllebensmittel anpassen. Die Studie bestätigte, dass die Verwendung einer Mischung aus Melasse und gebrauchtem Palmöl der effektivste Weg war, um die gewünschten langkettigen Blöcke zu erzeugen, wobei der neue Stamm viermal mehr dieser flexiblen Komponenten produzierte als der unveränderte Elternstamm.

Die Arbeit zeigte auch, dass dieser Prozess von kleinen Kolben auf große industrielle Bioreaktoren skaliert werden kann, ohne an Effizienz zu verlieren. Die Ergebnisse in einem Zwei-Liter-Tank waren nahezu identisch mit denen in kleineren Behältern, was darauf hindeutet, dass die Methode robust genug für eine größere Produktion ist. Obwohl die Menge des produzierten Kunststoffs hoch war, merkten die Forscher an, dass der Prozentsatz des Zellgewichts, der aus Kunststoff besteht, noch verbessert werden könnte. Sie räumten ein, dass weitere genetische Anpassungen nötig sein könnten, um die Bakterien dazu zu bringen, noch mehr ihrer Ressourcen in Kunststoff statt in andere zelluläre Bestandteile umzuwandeln. Die aktuellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass es durch die Kombination einer einfachen genetischen Veränderung mit einer klugen Fütterungsstrategie möglich ist, gewöhnliche Abfallmaterialien in einen vielseitigen, biologisch abbaubaren Kunststoff mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu verwandeln. Dieser Ansatz bietet einen praktischen Weg zu einer biobasierten Wirtschaft, in der die Kunststoffproduktion auf erneuerbare Ressourcen setzt und Materialien erzeugt, die sicher in die Umwelt zurückkehren können.