Boles, Eckhard

German

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

Forschung aktuell57 Forschung Frankfurt 1/2006Vom Abfall zum KraftstoffNeuer Hefetyp synthetisiert Biosprit aus PflanzenabfällenSie können zwar nicht Stroh zuGold spinnen, aber sie machenaus wertlosen pflanzlichen Abfällenhochwertigen Biokraftstoff: Dievielseitigen Hefezellen aus demLabor unserer Frankfurter Arbeits-gruppe sind wahre Allesfresser.Während herkömmliche Hefe nurbestimmte Zuckerarten zu Ethanolvergären kann, zerlegt der hochge-züchtete Frankfurter Hefestammauch schwer verdauliche Zucker,die in Weizenstroh, Maisresten,Holzabfällen oder Sägespänen ent-halten sind. Damit eröffnen sich derProduktion von nachwachsenden,umweltfreundlichen Biotreibstoffenvöllig neue Perspektiven. War manbisher darauf angewiesen, hoch-wertige Nutzpflanzen wie Zucker-rohr, Mais, Getreide oder Zucker-rüben zur Gewinnung von Bio-kraftstoffen anzubauen, lassen sichnun auch billige und massenhaftanfallende Pflanzenabfälle nutzen.Möglich ist dies durch gentechnischveränderte Hefen. Dank zusätzli-cher Gene können sie Enzyme pro-duzieren, die es ihnen erlauben,schwer verdauliche Zuckerarten inEthanol zu vergären.In einer Zeit immer knapperwerdender fossiler Erdölressourcenund steigender Benzinpreise wirdBioethanol zu einer wichtigen alter-nativen Energiequelle. Auch dieUmwelt profitiert von Biokraftstof-fen wie Biodiesel, Pflanzenöl undEthanol: Pflanzen wachsen prak-tisch unbegrenzt nach und verbren-nen »sauber«, das heißt, es wirdnur solches Kohlendioxid freige-setzt, das zuvor beim Pflanzen-wachstum gebunden wurde. Aufdiese Weise verhindert Biosprit eineweitere Verstärkung des Treibhaus-effekts. Während Pflanzenöl undBiodiesel für Dieselmotoren geeig-net sind, kann Bioethanol Benzinund Superkraftstoffe ersetzen. Bio-ethanol ist hinter Biodiesel zurzeitder am meisten genutzte  biologischhergestellte Autokraftstoff. Zulässigist eine fünfprozentige Beimischungzu Ottokraftstoffen. Mittelfristig solldieser Anteil steigen. So legt derAktionsplan der Europäischen Uni-on fest, den Anteil Biokraftstoff amgesamten Kraftstoffverbrauch biszum Jahr 2010 auf 5,75 Prozent zuerhöhen. Als Technik der Zukunftgelten allerdings die so genanntenFlexible-Fuels-Vehicles (FFV) –Fahrzeuge, die sowohl mit reinemBenzin fahren als auch mit einerBenzin-Ethanol-Mischung, die biszu 85 Prozent Ethanol (E 85) ent-halten kann. Die Fahrzeuge müssendabei nur minimal modifiziertwerden.Bioethanol wird durch mikro-biologische Vergärung von Zuckernhergestellt, die in pflanzlichen Roh-stoffen enthalten sind. Man ge-winnt es heute weitgehend aus spe-ziell dafür angebauten stärke- oderzuckerhaltigen Nutzpflanzen wieZuckerrohr, Mais, Getreide oder Zu-ckerrüben. Zur Vergärung verwen-det man Hefen, die Zucker in Etha-nol und CO2 umsetzen können. Beistärkehaltigen Rohstoffen sind vorder eigentlichen alkoholischen Gä-rung noch vorbereitende Schrittenotwendig: So muss die Stärkedurch spezielle Enzyme verflüssigtund anschließend verzuckert wer-den. Dieses Verfahren ist zwar aus-reichend, um den derzeitigen Bedarfan Bioethanol zu decken. Langfristigwird es den steigenden Bedarf anBioethanol aber nicht decken kön-nen, weil es zahlreiche Problemeaufwirft. Die nur begrenzt zur Ver-fügung stehenden landwirtschaft-lichen Anbauflächen, ökologischeProbleme bei der notwendigen In-tensivierung der Landwirtschaftund die Konkurrenz zum Lebens-mittelmarkt stehen einer großflä-chigen Produktion von Bioethanolauf diesem herkömmlichen Wegeentgegen.Eine kostengünstige und um-weltschonende Alternative wäre,die für den Menschen als Nutz-pflanzen weniger interessantenPflanzen oder Pflanzenabfälle zunutzen. Diese hauptsächlich ausZellulose, Hemizellulose und Ligninbestehenden Materialien fallen inhohen Mengen an und sind billig.Ideal wäre dabei ein Verfahren, indem in so genannten Bioraffineriendie Zellulose und Hemizellulose invergärbare Zucker umgewandeltund von den Hefen direkt in Etha-nol vergoren werden. Das Ligninkönnte als Brennstoff zum Antrei-ben des Prozesses benutzt werden.Allerdings verhindern zurzeit nocheinige technische Schwierigkeitenden Einsatz dieses Verfahrens. Zumeinen ist der Abbau von Zelluloseund Hemizellulose zu vergärbarenZuckern schwieriger und langsamerals bei Stärke, weil diese Verbin-dungen eine komplexere Strukturbesitzen. Zum anderen setzt dieHemizellulose Zuckerarten frei, dievon den meisten zur Ethanolpro-duktion verwendeten Mikroorga-nismen nicht vergoren werdenkönnen. Für einen wirtschaftlichausgereiften Prozess ist dies jedocheine wichtige Voraussetzung.Ein für die Produktion von Etha-nol seit Jahrtausenden genutzterMikroorganismus ist die Bier- undWeinhefe mit dem wissenschaftli-chen Namen Saccharomyces cerevisiae.Sie ist in der Lage, Zucker raschund mit hohen Ausbeuten zu Etha-nol zu vergären. Allerdings kannauch sie dabei nicht alle Zuckerumsetzen – während Zucker mitsechs Kohlenstoffatomen (die so ge-nannten Hexosen wie zum BeispielGlucose) genutzt werden können,besitzen die Hefezellen nicht dienotwendigen Enzyme für die Ver-wertung von Zuckern mit fünfKohlenstoffatomen (den Pentosenwie zum Beispiel Arabinose undXylose). Diese Pentosen machen je-doch einen großen Anteil der He-mizellulose aus.Da die Hefe schon seit einigenJahrzehnten intensiv erforscht wirdund genetisch leicht veränderbarist, lag es für unsere Arbeitsgruppenahe, der Hefe auf gentechnischemWege neue Eigenschaften zu verlei-hen. Seit vielen Jahren arbeiten wirbereits daran, die Stoffwechselei-genschaften der Hefe besser zu ver-stehen und wir für den Menschenzur Produktion von biobasiertenChemikalien nutzbar zu machen.Wir bedienen uns dabei des »Meta-bolic Engineering«, einer Methode,mit der man gezielte und zweckge-richtete gentechnische Veränderun-gen von Organismen erzielen kann,so dass sie bestimmte Produkte oderBiochemikalien produzieren. ImFalle der Hefe suchte unsere Ar-beitsgruppe nach Möglichkeiten,die Hefe dazu zu bringen, auch diePentosen Arabinose und Xylose zuvergären. Dazu suchten wir in Bak-terien und Pilzen nach Genen, diedafür verantwortlich sind, dass sichEnzyme für den Abbau von Arabi-nose und Xylose bilden. Diese Suche ist knifflig: Zwar gibtes eine Reihe von Lebewesen, diePentosen nutzen und umwandelnkönnen, aber leider nicht in Etha-nol. Will man dieses Problem lösen,muss man erreichen, dass die Hefe-zellen Pentosen in ihre Stoffwech-selwege – den so genannten Pen-tosephosphat-Weg und die Gly-kolyse– einschleusen. Im Falle derArabinose sind dazu drei zusätzlicheEnzyme notwendig sowie einTransportprotein, das die Arabinosein die Zelle hineintransportiert. Fürdie Xylose benötigt man drei weite-re Enzyme. Wir gewannen dieseEnzyme, indem wir aus Bakterienund Pilzen, die Arabinose und Xy-lose abbauen, Gene isolierten. DieSteuerungselemente dieser Genewie Promotor- und Terminatorse-quenzen wurden dann so verän-dert, dass die Hefe daraus die ent-sprechenden Enzyme bilden konn-te. Dann wurden sie in das Erbgutder Hefezellen eingebaut.Zunächst sollte die Hefe dazu ge-bracht werden, Arabinose als Koh-lenstoff- und Energiequelle zumWachstum zu verwerten. Aber ob-wohl die Hefezellen alle dafür be-nötigten Enzyme erhalten hatten,Forschung aktuell58 Forschung Frankfurt 1/2006Beate Wiede-mann und MarcoKeller vom Institutfür MolekulareBiowissenschaftender UniversitätFrankfurt arbeitenan der Optimie-rung von Hefen,um aus Stroh undanderen Pflanzen-abfällen Ethanolals regenerativeund umwelt-freundliche Ener-giequelle herstel-len zu können.■ 1Die Stoffwechseleigenschaften der »aufgerüsteten« HefeL-arabinose D-xyloseL-arabinosetransporterD-xylosetransporterL-arabinoseisomeraseD-xylosereductaseL-ribulokinase D-xylitoldehydrogenaseL-ribulose-5-P4-epimerase D-xylulokinaseD-xylulose-5PL-ribulose-5-P D-xyluloseL-ribulose D-xylitolL-arabinose D-xyloseGlykolyse Ethanol GlucosePentose-phosphat-WegDie Hefe Saccharomyces cerevisiae wurde mit zahlreichenneuen Enzymen ausgestattet, um außer der Glucose auch dieanderen in Pflanzenabfällen vorhandenen Zuckerarten Arabi-nose und Xylose zu Ethanol zu vergären.■ 2F&E sind für uns das Aund O.Auch in der Wissenschaft spielt die Nummer Eins in der Spezialchemie eine maßgebliche Rolle. Weltweit investieren wir jedes Jahr viele hundert Millionen Euro in Forschung und Entwicklung. Darüber hinaus kooperieren wir mit über 500 Wissenschaftlern an Universitäten und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt.www.degussa.combereitete ihnen die Umstellung ih-res Speisezettels Schwierigkeiten.Genauere Untersuchungen erga-ben, dass sich die Hefen an derArabinose gewissermaßen »ver-schluckten«, das heißt, sie nahmenden Zucker schneller auf, als sie ihnverwerten konnten. Deshalb muss-ten die verantwortlichen Enyzmezunächst genetisch weiter optimiertwerden. Das geschah mit Hilfe derso genannten »Directed Evolution«(also gesteuerten Evolution). Wirzwangen die neue Hefe über vieleWochen und Monate dazu, Arabi-nose zu verwerten, indem wir ihrdiesen Zucker als einziges Nah-rungsmittel anboten. Und tatsäch-lich bildeten sich spontane Hefemu-tanten, die immer besser mit derArabinose zurechtkamen. Diesewaren letztendlich in der Lage, dieArabinose in Ethanol zu vergären. Damit die neuen Hefezellen zu-sätzlich die Fähigkeit erlangten,Xylose zu vergären, startete unsereArbeitsgruppe eine Kooperation mitder Arbeitsgruppe von Prof. Dr.Bärbel Hahn-Hägerdal von der Uni-versität Lund, Schweden. Diese ar-beitet schon seit vielen Jahren er-folgreich an der Vergärung von Xy-lose durch Hefen. Den Arabinose-vergärenden Hefezellen wurden zu-sätzlich die drei Gene zur Xylose-verwertung eingepflanzt. Und tat-sächlich konnte der daraus resultie-rende Hefestamm neben denHexosen wie Glucose auch Arabi-nose und Xylose in Ethanol um-wandeln. Das Ergebnis war einhochgezüchteter und spezialisierterHefestamm, der als »Allesfresser«die meisten Zuckerarten aus pflanz-lichen Abfällen zu Ethanol vergärenkann.Nach diesem beachtlichen Erfolgstehen die nächsten Herausforde-rungen auf dem Weg zur industriel-len Produktion von Bioethanol be-vor. Zunächst müssen die fremdenGene in der Hefe stabilisiert wer-den. Dann will unsere Gruppe dieZuckerverwertung noch effizientergestalten. Um die Kosten des ge-samten Prozesses zu senken, müs-sen wir den Wirkungsgrad der Et-hanolbildung weiter steigern. Undletztendlich gilt es, den im Labor-maßstab funktionierenden Prozessin die industrielle Wirklichkeit zutransferieren. Dazu muss geklärtwerden, ob die hochgezüchtetenLaborhefen unter den »rauen« Be-dingungen in der Industrie wider-standsfähig genug sind. Möglicher-weise eignen sich industriell er-probte Hefen besser für die Etha-nolgewinnung.Auch andere Fragen im Umfeldder Biomasse-zu-Ethanol-Um-wandlung sind noch zu klären. Somüssen beispielsweise die Biomas-severarbeiter wirtschaftliche Wegefinden, die Biomasse zu sammeln,zu transportieren und zu lagern.Eine effektive und schonende Vor-behandlung der Biomasse mit Wär-me oder Säure sowie die Entwick-lung leistungsfähigerer Enzyme, mitdenen das Pflanzenmaterial in dieeinzelnen Zuckerbausteine zerlegtwerden kann, sind weitere wichtigeForschungs- und Entwicklungs-schwerpunkte. Daran arbeitet seitOktober 2005 ein von der Europäi-schen Union gefördertes Konsorti-um von 21 Partnern aus Industrieund Forschung, zu dem auch unse-re Arbeitsgruppe gehört. Das euro-paweite Projekt mit dem NamenNILE (New Improvements for Li-gnocellulosic Ethanol) ist auf vierJahre angelegt und wird mit 7,7Millionen Euro aus dem 6. Europäi-schen Rahmenprogramm gefördert.Die Partner decken den gesamtenForschung aktuell59 Forschung Frankfurt 1/2006AnzeigeBereich der Bioethanol-Herstellungvon der Vorbehandlung der Bio-masse bis zur Optimierung der Pro-zesstechnik ab. In diesem Projektsollen die meisten derzeit noch be-stehenden Hindernisse aus demWeg geräumt werden, die demTraum von der Umwandlung vonBiomasse in Ethanol im Wege ste-hen. Mit ihren jüngsten Erfolgensind die Frankfurter Hefewissen-schaftler diesem Ziel mit großenSchritten näher gekommen. ◆Wir werden weniger, älter,bunter« – so lautet vielfachdas Fazit zum demographischenWandel in Deutschland. Dahinterstehen unterschiedliche, miteinan-der verbundene Phänomene: DieBevölkerungszahl nimmt ab, dieAltersstruktur verändert sich auf-grund des Geburtenrückgangs undsteigender Lebenserwartung, dieBevölkerung differenziert sich im-mer stärker aus, ausgelöst durchZuwanderung und Pluralisierungvon Lebensstilen und Haushaltsfor-men. Verändern sich Größe undStruktur einer Bevölkerung, sowirkt sich dies massiv auf ganz un-terschiedliche Handlungsfelder aus:Sozialversicherungssysteme, Kin-derbetreuung und Bildungseinrich-tungen, Pflege- und Krankenhaus-wesen, öffentlichen Nahverkehroder den Wohnungsbau. Folgen hat der demographischeWandel auch für die netzgebunde-nen Infrastrukturen wie die Was-serversorgung, Abwasserentsorgungund Energieversorgung (Strom,Forschung aktuell60 Forschung Frankfurt 1/2006EthanolArabinoseXyloseGlucoseZellulose+ LigninVom Stroh zum KraftstoffVorbehandlung EnzymatischeHydrolyseHemizelluloseHydrolysatoptimierteHefenVergärungDestillationLigninDie Rechnung geht nicht auf: WenigerMenschen = niedriger WasserverbrauchRückgang der Bevölkerung fordert Planer von Versorgungssystemen herausDer AutorProf.Dr. Eckhard Boles, 42, ist seit2002 Professor für Mikrobiologie an derJohann Wolfgang Goethe-Universität.Mit den molekularen Grundlagen derZuckerverwertung durch Hefen beschäf-tigt er sich seit seiner Dissertation ander Technischen Universität Darmstadt.Er erhielt dafür den Dissertations-Hoch-schulpreis der Vereinigung von Freun-den der TU Darmstadt. Seine Habilitati-on an der Universität Düsseldorf im Jah-re 2000 schrieb Boles über dieMechanismen und die Steuerung derZuckeraufnahme in die Hefezellen. Inseinen wissenschaftlichen Arbeiten ver-knüpft er – wo möglich – die Grundla-genforschung mit der industriellen An-wendung, was sich in zahlreichen In-dustriekontakten widerspiegelt. Diegegenwärtigen Forschungsschwerpunkteseiner Arbeitsgruppe sind das »Metabo-lic Engineering« von Hefezellen zur Pro-duktion von Biochemikalien wie zumBeispiel Bioethanol. Auf der anderenSeite untersucht Prof. Dr. Boles intensivdie Nährstoffaufnahmesysteme der Hefeund ihre gegenseitigen Wechselwirkun-gen.Prof.Dr. Boles demonstriert, wienach Zerlegung des Pflanzenmaterialsin einzelne Zucker (Glucose, Arabinose,Xylose) die optimierten Hefen eingesetztwerden können, um daraus Bioethanolals Autokraftstoff herzustellen.■ 3Wärme). Am Beispiel der Wasser-versorgung machen wir deutlich,wie Bevölkerungsveränderungenund sozial-ökologische Problemeder Versorgung zusammenhängenund wie Versorgungssysteme an dieneuen Anforderungen angepasstwerden können.Kehrseiten des ökologischWünschenswerten In den neuen Bundesländern wan-dern immer mehr Menschen ab,gleichzeitig geht die Zahl der Ge-burten zurück. Die Zahl der Abneh-mer verringert sich und damit auchder Wasserverbrauch. Gleichzeitigsinkt der Pro-Kopf-Verbrauch, wasauf effektivere Haushaltsgeräte wieSpül- und Waschmaschinen, aberauch auf sparsameren Umgang we-gen steigender Preise zurückzufüh-ren ist. Zudem geht der gewerblicheWasserverbrauch in den wirt-schaftsschwachen Regionen deröstlichen Bundesländer zurück.Ökologisch ist die sparsamere Nut-zung begrüßenswert, doch derRückgang zeigt auch negative Aus-wirkungen: Bereits heute sind dieSysteme der Wasserversorgung undAbwasserentsorgung nicht mehrausreichend beansprucht. Gravie-rende Folgen für die zukünftige

Vom Abfall zum Kraftstoff : neuer Hefetyp synthetisiert Biosprit aus Pflanzenabfällen

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