Forschung

Leben in Extremen

Klirrende Kälte, salziges Wasser, heiße Quellen in der Tiefsee oder verseuchte Böden – nicht gerade Wohlfühlfaktoren. Für eine Vielzahl von Bakterien, sogenannte Extremophile, sind das jedoch die bevorzugten Lebensräume, an die sie sich perfekt angepasst haben. Die Bakterien tummeln sich in sauren und alkalischen Böden, gedeihen unter hohem Druck und schaffen es, in Gestein zu überleben. Für Garabed Antrani­kian und sein Team vom Institut für Technische Mikrobiologie an der Technischen Universität Hamburg-Harburg sind diese Überlebenskünstler ein faszinierendes Forschungsobjekt. „Wir haben es vor allem auf die Enzyme aus den Extremophilen abgesehen“, sagt Ralf Grote, Oberingenieur am Institut. Denn Enzyme sind Bio-Katalysatoren und beschleunigen als solche chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Normale Enzyme sind jedoch recht empfindlich, bei zu hohen Temperaturen versagen sie ihre nützlichen Dienste. „Enzyme aus Extremophilen sind da wesentlich widerstands- und anpassungsfähiger“, so Grote.

Biologische Prozesse werden schon heute in vielen Branchen technisch genutzt. Der Einsatz biotechnologischer Verfahren in Industrieprozessen wird als weiße oder indus­trielle Biotechnologie bezeichnet. Bei Anwendungen im Bereich der Medizin spricht man von roter Biotechnologie, die grüne Biotechnologie befasst sich mit Nutzpflanzen. Mit einem weltweiten Marktvolumen von 55 Milliarden Euro pro Jahr liegt die industrielle Biotechnologie knapp vor der roten mit 48 Milliarden Euro. Der Markt für Produkte der weißen Biotechnologie wächst viel stärker als der für konventionelle, chemisch hergestellte Produkte. Hitzeresistente Enzyme werden beispielsweise in der Herstellung von Geschirrspül- und Waschmitteln eingesetzt, um selbst die härtesten Pastareste vom edlen Porzellan zu lösen und Flecken schonender aus der Seidenbluse zu entfernen. Die Fähigkeit bestimmter Enzyme aus säureliebenden Bakterien, Erzmineralien in Salze umzuwandeln, wird in der sogenannten „Biolaugung“ zur Gewinnung von Schwermetallen wie Kupfer und Zink genutzt. Auch bei der Vitamin-, Zucker- und Aspartamherstellung sowie bei der Produktion von Antibiotika setzt die Industrie auf die Vorteile der Biokatalyse: Enzyme sind als natürliche Katalysatoren biologisch abbaubar. Bei ihrer Arbeit kommen sie ohne Schwermetalle oder hohen Druck aus und hinterlassen keine Nebenprodukte.

Chemische Prozesse werden effizienter und umweltfreundlicher. „BASF setzt bei der Herstellung von Vitamin B2 heute auf einen biotechnischen Prozess und hat seinen Kohlendioxidausstoß damit um ein Drittel und seine Abfälle um 95 Prozent verringern können“, sagt Grote. Das Unternehmen spart dadurch Kosten und senkt die Umweltbelastung. Von rund 7 000 in der Natur vorkommenden Enzymen werden jedoch erst 100 industriell genutzt, das Potenzial für weitere Entdeckungen ist groß. „Gerade die extrem angepassten Mikroorganismen haben außerordentliche Fähigkeiten, die für die Industrie sehr interessant sind“, betont Grote. Bestimmte kälteliebende Bakterien bauen Bestandteile von Ölen ab, andere ernähren sich vorzugsweise von Industrieabwässern und werden zur Reinigung verseuchter Böden gezüchtet. Mit der weißen Biotechnologie können Umweltverschmutzungen aber auch schon während der Produktion vermieden werden. Abfallstoffe können bei der Produktion zersetzt und unschädlich gemacht werden. Um die Enzyme dieser kleinen Helfer in ausreichenden Mengen herzustellen, wird der für die Produktion des gewünschten Enzyms zuständige Abschnitt des Erbgutes in einen Wirtsorganismus eingebaut. Durch Fermentation erhalten die Harburger Forscher die benötigte Menge an Enzymen, die dann beispielsweise mit Membranen aufgereinigt werden.

Neben der Suche nach immer neuen exotischen Bakterien setzt sich das Institutsteam auch stark für die Bildung von Netzwerken zwischen Wissenschaft und Wirtschaft ein. Mit Erfolg: Das Cluster „Biokatalyse 2021 - Nachhaltige Biokatalyse auf neuen Wegen“, das von Garabed Antranikian und Helmut Thamer von der Tutech Innovation GmbH koordiniert wird, ist einer der fünf Gewinner des Bundeswettbewerbs Bioindustrie 2021. „15 Großunternehmen, 19 kleine und mittelständische Firmen sowie 25 Forschungsgruppen sind in derzeit 15 Projekten engagiert“, sagt Grote. Eines der Unternehmen aus Norddeutschland ist die Sternenzym GmbH & Co. KG aus Ahrensburg. „Wir suchen nach stabilen Enzymen für die Lebensmittelproduktion und können hierfür auf viel Know-how im Cluster zurückgreifen“, so Lutz Popper, Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung und einer der Projektkoordinatoren. Um Spin-offs aus der Wissenschaft zu fördern, wird sogar ein eigener Beteiligungsfonds für die industrielle Biotechnologie im Hamburger Gründerfonds aufgelegt. Besonders stolz ist man in Harburg auf die „Biocat Collection“, eine internationale Sammlung von Biokatalysatoren für Wirtschaft und Wissenschaft. Dort sind zurzeit rund 300 Enzyme aus Hochschulen und Forschungsinstituten katalogisiert, die bei Bedarf produziert und an Industrie und Forschung versandt werden. Ziel ist es, die Markteinführung von neuen biotechnologischen Produkten und Prozessen deutlich zu beschleunigen.