Biotechnologische Produktion organischer Säuren aus Methanol

Wertschöpfung aus »grünem« Methanol durch biotechnologische Konversion

Aus Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Synthesegas (einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid, kurz CO, und Wasserstoff) hergestelltes »grünes« Methanol bietet hohes Potenzial als zentraler Rohstoff für die nachhaltige chemische Industrie der Zukunft. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen des Fraunhofer‑Verbundvorhabens EVOBIO von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des IGB an der Entwicklung einer biotechnologischen Produktionsroute für organischen Säuren aus Methanol gearbeitet.

Metabolic Engineering von Methylorubrum extorquens

Methylotrophe Mikroorganismen sind eine vielversprechende Plattform für die effiziente Verwertung von Methanol zur Wertschöpfung in Fermentationsprozessen. Im Fokus des am IGB angesiedelten Teilprojektes stand das Bakterium Methylorubrum extorquens AM1, das durch Methoden des Metabolic Engineering zur gezielten Produktion einfacher organischer Säuren aus Methanol befähigt werden soll.

Die gebildeten Säuren sind als Polymerbaustein von großem wirtschaftlichen Interesse. Ihre konventionelle Produktion basiert meist auf chemischen Verfahren und erfordert harsche Prozessbedingungen sowie toxische Ausgangsstoffe. Hier können fermentative Verfahren ressourcenschonende und ökologisch nachhaltige Alternativen bieten. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Fermentationen traditionell meist von Zuckern als Substrat abhängen. Aus Gründen der Nachhaltigkeit ist in diesem Fall die Skalierbarkeit der Produktion begrenzt, um eine Nutzungskonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden. Durch den Einsatz von CO₂‑basiertem Methanol als Fermentationssubstrat wird eine derartige Konkurrenz vermieden und die Möglichkeit zur Etablierung nachhaltiger und skalierbarer Produktionsrouten zu wertvollen organischen Säuren eröffnet. Gleichzeitig ergeben sich durch die methylotrophe Fermentation neue Nutzungsoptionen für CO₂ als kohlenstoffhaltiger Rohstoff der chemischen Industrie von morgen.

Organische Säuren als Zielprodukte des EVOBIO‑Teilprojektes finden in zahlreichen Industriezweigen sowie in der Kosmetikindustrie und Medizintechnik vielfältige Verwendung. Darüber hinaus werden difunktionelle organische Säuren als Monomerbausteine in der Herstellung von Polymeren eingesetzt und bieten somit ein breites und hochrelevantes Anwendungsspektrum für methylotrophe Fermentationen.

Optimierung der Produktionsstämme

Zur Etablierung der Fermentationsplattform konzentrierten sich die Arbeiten im EVOBIO‑Teilprojekt zunächst auf das Engineering eines geeigneten bakteriellen Produktionsstammes. Durch die Verbringung von heterolog exprimierten Enzymen in M. extorquens wurden initiale Produktionsstämme identifiziert. Aufbauend auf diesen Stämmen der ersten Generation wurde die Produktion organischer Säuren aus Methanol untersucht. Die Testung von 13 Enzymen aus sieben Spenderorganismen in Enzymassays zeigte, dass zehn der eingebrachten Enzyme im Vergleich zur Negativkontrolle eine relevante Aktivität in vivo aufwiesen. Die resultierenden Stammvarianten wurden abschließend in Fermentationsexperimenten mit Methanol als einziger Kohlenstoffquelle evaluiert und eine potenzielle Überproduktion der Zielprodukte evaluiert. In Anschlussprojekten sollen nun die entwickelten Produktionsstämme gezielt optimiert werden, um effiziente Biokatalysatoren zu erhalten, die für den Einsatz in einem industriellen Umfeld geeignet sind und die Bedürfnisse und Vorgaben für eine zukünftige kommerzielle Produktion erfüllen.