Biologisch abbaubarer Kunststoff
Wie kann man landwirtschaftliche Abfälle in biologisch abbaubaren Kunststoff verwandeln? Die weltweite Weizenproduktion lag 2019 bei etwa 770 Millionen Tonnen. Wenn die Körner geerntet sind, etwa 100 Körner pro Weizenpflanze, was passiert dann mit den Blättern und dem Stängel?
Ein Teil davon wird als Stroh, als Mulch oder Tierfutter verwendet. Der größte Teil wird weggeworfen, von Mikroben abgebaut und in Kohlenstoffdioxid verwandelt.
Es gibt Mikroben, die darauf spezialisiert sind, landwirtschaftliche Abfälle abzubauen. Wenn diese Mikroben gentechnisch so verändert werden könnten, dass sie zum Beispiel PHB (Polyhydroxybutyrat), eine biologisch abbaubare Form von Biokunststoff, produzieren, wäre das ein großer Gewinn für die Menschheit. Anstatt Nahrung wie Zucker oder Stärke zu benötigen und damit mit dem Menschen um die globale Nahrungsmittelproduktion zu konkurrieren, können solche Mikroben „domestiziert“ (gezähmt) werden, um PHB aus landwirtschaftlichen Abfällen zu produzieren.
Das Foto unten zeigt einen Querschnitt eines Bakteriums, das einen großen Klumpen PHB, eine Form von Bakterienfett (Kohlenstoff- und Energiespeicher), angesammelt hat. Das PHB erscheint als große, weiße, runde Struktur in der Mitte der Zelle. Außerhalb der Zelle, dicht um die äußere Membran herum, befindet sich eine Kapsel, die aus dem Polymer Curdlan besteht. Sowohl PHB als auch Curdlan sind in zahlreichen industriellen und medizinischen Anwendungen äußerst nützlich.
Derzeit haben die am besten untersuchten Bakterien für die PHB-Produktion mehrere Einschränkungen. Zwei der wichtigsten Einschränkungen sind:
1. Sie leiden unter genetischer Instabilität. Zum Beispiel tragen sie modifizierte Gene für die PHB-Produktion auf Strukturen, die als Plasmide bezeichnet werden. Diese erfordern die Zugabe von Antibiotika, um sicherzustellen, dass die Plasmide von Generation zu Generation weitergegeben werden können. Antibiotika sind ziemlich teuer und werden innerhalb von Tagen schnell abgebaut, was bedeutet, dass die Plasmide schließlich verloren gehen. Dieser Verlust aus der bakteriellen Population bedeutet den Verlust der PHB-Produktionsfähigkeit.
2. Sie benötigen teure Nahrung. Einige Bakterien, die gentechnisch verändert wurden, um hohe Mengen an PHB zu produzieren, sind Escherichia coli und Pseudomonas putida. Diese Bakterien haben jedoch eine geringe Produktionsfähigkeit, es sei denn, sie werden mit energiereichen Nahrungsmitteln, wie Zucker und Aminosäuren, gefüttert. Solche energiereichen Futtermittel sind teuer und ziehen Verunreinigungen (durch andere unerwünschte Bakterien) an.
Der Vorteil der „Domestizierung“ (Zähmung) von Mikroben, die bereits auf landwirtschaftlichen Abfällen gedeihen, liegt auf der Hand. Sie sind bereits gut an das Überleben auf billiger Nahrung angepasst. Daher muss das Abfallmaterial nicht sterilisiert werden, um Verunreinigungen zu verhindern. Um sicherzustellen, dass sie einen deutlichen Vorteil gegenüber den nicht-gezähmten Bakterien haben, müssen die gezähmten Bakterien nur in höheren Beimpfungszahlen zu den landwirtschaftlichen Abfällen hinzugefügt werden.
Die größte Einschränkung bei der Zähmung von Bakterien, die aus landwirtschaftlichen Abfällen isoliert wurden, ist das Wissen, das für die gentechnische Veränderung dieser Bakterien erforderlich ist. Derzeit sind nur eine Handvoll Bakterien gentechnisch veränderbar. Die überwiegende Mehrheit wurde noch nie gentechnisch verändert oder gar in einem Labor kultiviert.
Das zweite große Problem ist die Frage, wie man ein Bakterium in eine Minifabrik zur Herstellung von PHB verwandelt. Dazu muss man zum Beispiel wissen, welche Gene die Kommunikation und das Sozialverhalten steuern.
Sobald das Wissen vorhanden ist, sowohl darüber, wie man ein Bakterium gentechnisch verändert, als auch darüber, wie man seine Produktionskraft nutzbar macht, ist der nächste Schritt die PHB-Produktion.