FAQ

Die Verschmutzung der Umwelt bedroht das Leben auf diesem Planeten. In den letzten 50 Jahren hat sich Kunststoffmüll in unserer Umwelt angesammelt. Derzeit werden in Australien jährlich etwa 67 Millionen Tonnen Kunststoffmüll produziert.*

Nanoplastikpartikel werden nicht nur routinemäßig in den Eingeweiden von Wassertieren nachgewiesen, sondern auch in Menschen (einschließlich Kindern) mit unbekannten Auswirkungen auf unsere Gesundheit. Es besteht dringender Handlungsbedarf, um die Freisetzung von Kunststoffen in die Umwelt zu reduzieren. Säuberungskampagnen und Recycling haben bisher nur begrenzten Erfolg gehabt. Die vielversprechendste Strategie ist die Vermeidung von erdölbasiertem Kunststoffmüll. Die moderne Gesellschaft ist jedoch von Kunststoffen abhängig geworden. 

Eine Form von Biokunststoff, bekannt als Polyhydroxybutyrat (PHB), bietet eine Lösung für dieses Problem. PHB wird von einigen Mikroben als Energiespeicher verwendet, ähnlich wie Fett bei Säugetieren. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Auswahl von Bakterien, die aus landwirtschaftlichen Umgebungen (Fütterung von landwirtschaftlichen Abfällen) isoliert wurden, und modifiziert sie genetisch so, dass sie PHB überproduzieren. Wenn diese Bakterien in großen Gärtanks, die mit landwirtschaftlichen Abfällen gefüllt sind, gezüchtet werden, können sie dann geerntet und ihr PHB extrahiert werden. Dieses PHB kann dann zu einem alternativen Kunststoff verarbeitet werden, der die gleichen Eigenschaften wie erdölbasierter Kunststoff hat. Der große Vorteil ist, dass PHB-basierter Kunststoff durch natürliche Mikroben in der Umwelt abbaubar ist und somit die mit erdölbasiertem Kunststoff verbundenen Akkumulationsprobleme vermeidet. Außerdem kann PHB-basierter Kunststoff als saubere und 100% erneuerbare Energiequelle genutzt werden. 

* https://www.abc.net.au/news/2019-12-27/where-does-all-australias-waste-go/11755424

Die moderne Nachfrage nach Kunststoff sollte mit PHB-basiertem Kunststoff (hier als Biokunststoff bezeichnet) anstelle von erdölbasiertem Kunststoff befriedigt werden. Das Hauptproblem bei Bioplastik sind die geringen Produktionsraten in Verbindung mit den hohen Kosten für die Fütterung der Bakterien und die Gewinnung des Bioplastiks. Mein Projekt löst zwei dieser Probleme, indem es Bakterien verwendet, die sich bereits auf natürliche Weise von billigen landwirtschaftlichen Abfallprodukten ernähren, und diese so modifiziert, dass die Produktionsrate von Biokunststoff viel höher ist.

Derzeit gibt es mehrere verschiedene Bakterien, von denen bekannt ist, dass sie große Mengen an Biokunststoff produzieren. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie teure Nahrung, wie z.B. Saccharose oder Maltose, benötigen. Auf der anderen Seite produzieren die Bakterien, die für das Wachstum auf günstigen Nahrungsmitteln geeignet sind, wenig oder keinen Biokunststoff. Aus diesem Grund ist die genetische Manipulation von Bakterien, die üblicherweise in landwirtschaftlichen Abfällen vorkommen, der vielversprechendste Ansatz, um hochwertigen Biokunststoff zu minimalen Kosten herzustellen. 

Die größte Schwäche könnte sein, dass der Großteil der Forschung das Labor nie verlässt. Das liegt an den vielen unvorhergesehenen Problemen, die auf der Ebene der Skalierung der Produktion auftreten. Zum Beispiel könnten die hohen Kosten für die Nahrung der Bakterien das Hochskalieren der Produktion verhindern.

        • Biokunststoffe werden zur globalen Nahrungsmittelkrise beitragen, indem sie um Nahrungsmittelquellen konkurrieren.           

          Mybioplastik wird landwirtschaftliche Abfälle verwenden und somit nicht in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln stehen.

        • Biokunststoffe sind nicht vollständig biologisch abbaubar.    

          Diese Kritik trifft auf einige Biokunststoffe zu. Biokunststoff aus pflanzlichem Material zum Beispiel benötigt in der Regel Temperaturen über 50°C für den Abbau. Biokunststoffe aus bakteriellem PHB (Mybiokunststoffe) weisen die höchsten Abbauraten aller Biokunststoffe auf.

        • Bakterielle Biokunststoffe sind zu teuer.      

          Dies ist sicherlich richtig. Derzeit kosten sie etwa fünf- bis zehnmal so viel wie erdölbasierte Kunststoffe. Die beiden Probleme, die zu den hohen Kosten beitragen, sind die geringe Ausbeute und der Bedarf an teuren, energiereichen Nahrungsquellen für die Bakterien. Mybioplastics zielt darauf ab, diese Probleme zu überwinden, indem die Produktionsraten der Bakterien verbessert und die Kosten gesenkt werden.

        • Biokunststoff ermutigt die Menschen zum Littering.             

           Dies ist in der Tat ein ernstes Problem, das durch Mybioplastics nicht behoben werden kann. Mybioplastics ist keine einzelne Lösung für das Kunststoffproblem. Eher eine von einer Reihe von Lösungen. Die Menschen müssen erkennen, wie wichtig es ist, verantwortungsvoll mit Abfall umzugehen, und Mybioplastics trägt dazu bei, indem es das Bewusstsein schärft.

        • Biokunststoff verunreinigt Recyclingprozesse.  

          Das ist sicherlich richtig. Biokunststoff hat die unglückliche Begleiterscheinung, dass es das Kunststoffrecycling erschwert. Derzeit scheint es keinen Weg zu geben, dieses Problem zu vermeiden. Wie beim Littering-Problem müssen wir Menschen unser Kunststoffmüll-Management verbessern.

Das Neue ist, dass wir Bakterien gentechnisch verändern, um die Produktionsrate stark zu erhöhen. Für diese Modifikation werden Bakterien ausgewählt, die sehr gut auf kostengünstigen landwirtschaftlichen Abfällen als Nahrungsquelle überleben können. Mit diesen beiden Innovationen wird die Produktionsrate erhöht und die Produktionskosten werden gesenkt. 

Da die derzeitigen Kosten für Biokunststoff etwa fünfmal so hoch sind wie die von erdölbasiertem Kunststoff, ist es das Ziel der Forschung, die Kosten für die Herstellung von Biokunststoff auf ein Niveau zu bringen, das mit dem von erdölbasiertem Kunststoff vergleichbar ist. Es gibt mehrere Beispiele dafür, wie durch genetische Manipulation die Produktion von Bioplastik in einigen Bakterien verbessert werden konnte. Daher ist das Ziel erreichbar. Die große Frage dabei ist, wie man die Gene manipulieren kann, da bisherige Manipulationen Probleme mit der genetischen Stabilität hatten. Mit meiner langjährigen Erfahrung mit der genetischen Manipulation von Bakterien, einschließlich eines bevorstehenden Patents, glaube ich, dass ich in der Lage bin, die Gene entsprechend zu manipulieren. Das Patent adressiert speziell das Problem, dass es für die meisten Bakterien derzeit keine Möglichkeit gibt, die Genexpression mit konventionellen Methoden zu steuern. Das Patent wird eine neuartige Strategie schützen, die die Kontrolle der Genexpression für jedes Bakterium ermöglicht.

Wenn dieses Projekt erfolgreich ist, wird es helfen, ein großes Umweltproblem zu lindern. Regierungen auf der ganzen Welt entwickeln Pläne für den Umgang mit Kunststoffabfällen. China weigert sich inzwischen, Kunststoffabfälle aus Europa anzunehmen. Kenia will keine Kunststoffabfälle aus den USA. In Australien haben sich große Teile der Industrie verpflichtet, Kunststoffabfälle zu reduzieren (Plastic Pact). In Deutschland müssen nun nicht nur die Bürger, sondern auch die Kunststoff produzierenden Unternehmen eine Gebühr für die Entsorgung von Kunststoffabfällen zahlen. Die Europäische Union erwägt, eine Steuer auf die Produktion von erdölbasierten Kunststoffen einzuführen. Der Trend ist eindeutig, die demokratischen Länder sehen die Notwendigkeit eines dramatischen Wandels, und Alternativen sind sehr gefragt.

Die Produktion von Biokunststoff würde eine umweltfreundliche Alternative zu erdölbasiertem Kunststoff darstellen. Wenn die Produktionskosten und die Qualität beider Kunststoffe vergleichbar wären, würde die Sorge der Verbraucher um die Umwelt wahrscheinlich Biokunststoff begünstigen, und die Umwelt würde geschützt und erhalten werden. Es würde die moderne Zivilisation nachhaltiger machen, dazu beitragen, Tierarten zu erhalten und Perspektiven für zukünftige Generationen zu schaffen.

Das Interesse an Biokunststoff wächst rasant. Bereits jetzt arbeiten verschiedene Forschungsgruppen weltweit an kunststoffproduzierenden Bakterien. Einige von ihnen arbeiten daran, die Kunststoffproduktion durch Gentechnik zu verbessern. Andere konzentrieren sich darauf, neue Stämme aus landwirtschaftlichen Abfällen zu isolieren, die in der Lage sind, Kunststoff zu produzieren. Allerdings sind die neuen Stämme ziemlich resistent gegen gentechnische Eingriffe. Bisher ist es noch keiner Forschungsgruppe gelungen, aus landwirtschaftlichen Abfällen isolierte Bakterien so zu modifizieren, dass sie PHB überproduzieren. 

Ein Beispiel für Forschung, die darauf abzielt, neue Bakterienstämme zu isolieren, die PHB produzieren können, wurde von Getachew & Woldesenbet veröffentlicht (Production of biodegradable plastic by polyhydroxybutyrate (PHB) accumulating bacteria using low-cost agricultural waste material, BMC Research Notes, 2016). 

Die Gentechnik zur Überproduktion von PHB ist einigermaßen erfolgreich gewesen, siehe z. B. diese Arbeit von Nikel, Almeida, Melillo, Galvagno und Pettinari, (New Recombinant Escherichia coli Strain Tailored for the Production of Poly(3-Hydroxybutyrate) from Agro-industrial By-Products, Appl Environ Microbiol, 2006). Dabei ist es wichtig, zwischen billigen landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Weizenstoppeln und den nur begrenzt verfügbaren Nebenprodukten aus der teuren und energieintensiven Verarbeitung wie Molke und Mais-Steiglauge zu unterscheiden. Der von diesem Bakterium produzierte Kunststoff ist also aufgrund der Nebenprodukte zu teuer. Darüber hinaus zeigte diese Studie einige der üblichen Fallstricke auf, die mit genetischen Veränderungen verbunden sind, wie z. B. Instabilität über längere Fermentationszeiten und geringe Produktivität. Verbesserungen bei der technischen Qualität von genetischen Veränderungen sind dringend erforderlich.

Die größte Herausforderung für die Biokunststoffproduktion mit gentechnisch veränderten Bakterien ist die genetische Stabilität. Es können unerwünschte Mutationen entstehen, die das Bakterium von der Last der Kunststoffproduktion befreien. Solche “Cheater”-Mutanten können schneller wachsen und die Produzenten verdrängen, so dass sie schließlich die Fermentationskultur dominieren. Dies erfordert weitere Forschung, um Wege zu finden, genetische Stabilität über längere Fermentationszeiten von Wochen statt Tagen zu etablieren. 

Wichtig ist hier auch der Risikograd, der mit den genetischen Modifikationen verbunden ist. Alle Bakterien, die ich im Labor verwende, sind in die niedrigste mögliche Risikostufe eingestuft, d.h. Risikostufe 1 oder S1. Bakterien in dieser Kategorie haben noch nie einen Hinweis auf eine Gefahr für Mensch, Tier oder Natur gezeigt. Bakterien der Stufe 1 kommen in der Natur vor, ohne uns zu schaden. Gentechnische Veränderungen solcher Bakterien zur Überproduktion von PHB ändern nichts an der Risikostufe, außer vielleicht, dass die Bakterien in ihrem natürlichen Lebensraum weniger überlebensfähig sind. Somit stellt die gentechnische Veränderung solcher Bakterien kein Risiko für die Gesundheit von Mensch und Tier dar.

Die Strategie, eine kostengünstige Methode zur Herstellung von Biokunststoff zu finden, umfasst drei grundlegende Schritte: 

  1. Isolieren und identifizieren Sie ein oder mehrere Bakterien, die häufig in billigen landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Weizenstoppeln vorkommen. 
  2. Genetische Veränderung des Bakteriums oder der Bakterien, um Biokunststoff zu überproduzieren. 
  3. Erhöhung der Produktion. 

Bakterien, die häufig aus landwirtschaftlichen Abfällen isoliert werden, sind gut bekannt, und mindestens eines von ihnen zeigt in meinem Labor großes Potenzial für die Produktion von Biokunststoff. Dieses kann gentechnisch so verändert werden, dass die Produktion um mindestens das Mehrfache gesteigert werden kann. Derzeit ist der Engpass für diese Strategie Punkt 2. Konkret geht es um die Frage, wie man ein Bakterium “zähmt” oder “domestiziert”, das bisher nur am Überleben interessiert war. Dieses wilde Bakterium soll zu einem Biokunststoff-Überproduzenten gemacht werden. Generell ist dieser Ansatz nicht neu. Der Mensch domestiziert seit Jahrtausenden Pflanzen und Tiere – mit großem Erfolg. Neue Technologien und wissenschaftliche Fortschritte in der Genetik und Biochemie erlauben es uns, diese Fragen auf molekularer Ebene zu verfolgen. Im Allgemeinen besteht die Arbeit der “Domestizierung” darin, genetische Konstrukte zu bauen, die robust und effizient sind, und die enorme Energie des bakteriellen Wachstums in die Produktion von Biokunststoff umzuwandeln.

Ich habe über 20 Jahre Erfahrung in der Molekularbiologie und Genetik von Bakterien. Die größte Herausforderung für dieses Projekt ist die genetische Modifikation von relativ uncharakterisierten Bakterien. Ich habe einen Weg gefunden, die Genexpression in einer Vielzahl von Bakterien zu kontrollieren. Dies ist besonders nützlich für die gentechnische Veränderung von uncharakterisierten Bakterien. Außerdem ist ein wichtiger Vorteil meines Ansatzes, dass die genetischen Modifikationen stabil sind. Durch meine Erfahrung in diesem Bereich bin ich in einer guten Position, um die Herausforderung anzugehen, Bakterien so zu modifizieren, dass sie hohe Mengen an Biokunststoff produzieren.

Contact

Are you interested in helping to solve a major problem of the world?
Do you have any questions or comments?
Then please contact me.
I welcome your ideas or questions.

 

 matthew.mcintosh@mikro.bio.uni-giessen.de

 

Tel.: +49 (0)641 99-35557

Kontakt

Sind Sie daran interessiert, an der Lösung eines großen Problems der Welt mitzuwirken?

Haben Sie Fragen oder Anregungen?

Dann nehmen Sie bitte Kontakt mit mir auf.

Ich freue mich über Ihre Ideen oder Fragen.

 

matthew.mcintosh@mikro.bio.uni-giessen.de

Tel.: +49 (0)641 99-35557