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Pilz hilft Hefe bei der Pflanzenverdauung

14.09.2010
Genetisch veränderte Hefe produziert Ethanol aus Pflanzenfasern. Bisher musste die Cellulose in den Fasern vor der Vergärung in Glucose aufgespalten werden. Das neue Verfahren könnte Biokraftstoffe zukünftig billiger machen.

Pflanzenfasern – eine schwer verdauliche Kost

Pflanzenfasern bestehen aus Cellulose. Diese stabilen kettenförmigen Zuckermoleküle geben der Pflanze ihre Stabilität. Cellulose ist ein wichtiger nachwachsender Rohstoff vor allem für die Herstellung von Biokraftstoffen der sogenannten zweiten Generation. Zudem wird sie für die Papier- und Zellstoffherstellung, in der Nahrungs- und Futtermittelindustrie sowie in Biogasanlagen genutzt.

Um Ethanol herzustellen, wurden bislang einfache Bierhefen genutzt. Diese können Einfachzucker wie z.B. Glucose aus Zuckerrohr oder Maisstärke in Ethanol vergären. Die widerstandsfähigen Zuckerketten der Cellulose können die Hefen jedoch nicht verdauen. Doch gerade die Cellulose pflanzlicher Zellwände bzw. aus Rest- und Abfallprodukten könnte eine reiche Rohstoffquelle für die Ethanolproduzenten und eine vielversprechende Alternative zur Ethanolgewinnung aus Nahrungspflanzen werden.

Schimmelpilze für die Cellulosezersetzung

Um die Cellulose für die Ethanolproduktion aufzuschließen, müssen die komplexen Moleküle bislang in einem aufwändigen und teuren Prozess mit speziellen Enzymen in Glucose zerlegt werden, bevor sie zu Alkohol vergoren werden können. Andere Pilze sind zwar besser in der Lage, Pflanzenfasern zu verdauen. Diese Pilze produzieren jedoch keinen Alkohol.

Forschern der Berkeley University of California und der Chinese Academy of Sciences ist es nun gelungen, genetisch veränderte Hefen zu züchten, die die Ethanolproduktion aus komplexen Fasern wie z.B. Grass oder Holz erheblich vereinfachen können.

Sie entdeckten beim Roten Schimmelpilz (Neurospora crassa) die für die Celluloseverdauung verantwortlichen Gene und bauten diese in die alkoholproduzierende Bierhefe ein.

Neurospora crassa ist ein wissenschaftlich gut erforschter Modellorganismus, der auf Grass und abgestorbenen Pflanzen wächst. Der Schimmelpils produziert zwei Proteine, die komplexe Cellulosemoleküle verdauen helfen. Zusätzlich erzeugt er ein Enzym, das die Zersetzung der Cellulose weiter vorantreibt. Die genetisch veränderten Hefen waren nun durch die Neurospora Gene in der Lage, Pflanzenfasern zu verdauen und gleichzeitig als Stoffwechselprodukt Ethanol herzustellen.

Vorteile des Verfahrens

Die neue Technik hat große Anwendungspotenziale für die Ethanolherstellung. Sie könnte helfen, Biokraftstoffe konkurrenzfähiger mit Erdöl zu machen, indem sie Produktionsprozesse effizienter und vor allem preiswerter gestaltet.

Mit Hilfe der neuen Hefen brauchen Ethanolproduzenten zukünftig Pflanzenfasern nicht mehr wie bisher chemisch oder thermisch in einfache Zuckermoleküle zerlegen. Stattdessen reicht es aus, die Cellulose in mittelgroße Moleküle, die sogenannten Cellodextrine, aufzuspalten. Hierzu sind zwar immer noch Enyme nötig. Das neue Verfahren spart jedoch Zeit und Geld.

Zudem kann mit dem neuen Verfahren auch aus pflanzenfaserhaltigen Abfallprodukten wie etwa aus Getreidehalmen, Blättern oder Papiermüll Ethanol gewonnen werden. Dies ermöglicht zum einen eine nachhaltige und umfassende Reststoffnutzung. Zum anderen kann auf wertvolles Ackerland für die Ethanolproduktion verzichtet werden.

Noch ein langer Weg

Bis dahin ist es jedoch noch ein langer Weg. So müssen die Pilzgene zunächst in Hefestämme eingeschleust werden, die sich nicht nur im Labormaßstab, sondern auch für eine industrielle Ethanolproduktion eignen. Zudem forschen die Wissenschaftler weiter an dem Schimmelpilz Neospora auf der Suche nach noch besseren Genkombinationen für die Eigenschaft der Cellulosezersetzung.

Die Forscher vermuten, dass es noch weitere 5 Jahre dauern wird, bis die gentechnisch modifizierten Hefen erstmals im Versuchsmaßstab zur Ethanolproduktion eingesetzt werden können. Und in etwa 10 Jahre könnte das Ethanol aus dem neuen Verfahren dann tatsächlich als Biokraftstoff auf den Markt kommen. Ob das neue Verfahren auch eine Produktionssteigerung erzielen kann und wie hoch diese sein wird, muss die Forschung im Industriemaßstab zeigen. Die Wissenschaftler rechnen heute mit einem Ertragsanstieg von etwa 10-20%.

Viele Forschergruppen arbeiten derzeit an der Optimierung von Mikroorganismen für die Biomasseverwertung. Die Modifizierung von zuckerfermentierenden Mikroorganismen wie z.B. Hefen, die gleichzeitig Enzyme zur Vergärung der Cellulose produzieren, gilt derzeit als das vielversprechendste Konzept für die Ethanolproduktion.

Quelle:

Jonathan Galazka (University of California, Berkeley) et al.: Science, Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.1126/science.1192838 (abstract)

Pflanzenforschung.de | pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/journal/aktuelles/pilz-hilft-hefe-bei-der-pflanzenverdauung?page=0,1

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