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10.04.2010

„Wir müssen alternative Rohstoffquellen erschließen“

Prof. Dr. Christoph Wittmann von der TU Braunschweig ist Projektpartner im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe. Er entwickelt mathematische Modelle von Stoffwechselprozessen und optimiert damit Mikroorganismen für die Biotechnologie. Im Interview mit Christoph Bächtle spricht er über Systembiologie, Organismen vom Reißbrett, biobasierte Kunststoffe und wie Biotechnologie etablierte großtechnische Verfahren ergänzen kann.

Die klassische Polymerchemie ist schon seit Jahrzehnten erfolgreich. Welchen Beitrag kann die Biotechnologie da noch leisten?

Die Stärke der Biotechnologie liegt darin, dass sie die Möglichkeit öffnet, neue, nachhaltige Produktionsprozesse zu etablieren. Petrochemische Rohstoffe werden knapper und teurer und sind zudem mit dem Problem behaftet, dass die Prozesse im Gesamtzyklus der Produkte zu einem starken Anstieg von Kohlendioxid führen. Damit sind diese Prozesse klimarelevant.

Über die Biotechnologie können alternative Rohstoffquellen, nämlich nachwachsende Rohstoffe, eingesetzt werden. Damit können wir das Kohlendioxid, das im Lebenszyklus der Produkte freigesetzt wird, wieder refixieren. Damit haben wir einen geschlossenen Kreislauf, der im Hinblick auf die Erderwärmung große Vorteile bietet. Zudem begegnen wir dem Problem, dass Rohstoffe knapper und teurer werden.

Die Biotechnologie eröffnet eine zukunftsorientierte Art der Produktion, eine biologische Chemie, die es in Zukunft ermöglicht, Chemikalien, Materialien oder Treibstoffe biobasiert herzustellen.
Um welchen Kostenfaktor unterscheiden sich die petrochemischen und biotechnologischen Verfahren?

Das kann ich nicht genau sagen, denn im Augenblick lassen sich die Verfahren schlecht vergleichen. Die petrochemischen Prozesse sind groß angelegt, biotechnologische Verfahren laufen zum Teil erst im Labor oder im Pilotmaßstab. Ich halte es aber für realistisch, dass wir mit der Biotechnologie in den Bereich kommen, in dem wir konkurrenzfähig zu petrochemischen Prozessen sein können. Entwicklungen in diese Richtungen sehen wir insbesondere bei den hochpreisigen Produkten.
Betrifft die Konkurrenzfähigkeit in erster Linie die Hightech-Kunststoffe, oder gilt dies auch für die Massenware wie Polyethylen, Polypropylen oder PET?

Mit Polylactid gibt es bereits einen biobasierten Kunststoff, der im Bereich der Low-Property-Polymere, also der Massenkunststoffe, angesiedelt ist. In den USA werden davon bereits riesige Mengen, meines Wissens über 100.000 Tonnen pro Jahr, produziert. Auch die Polyhydroxyalkanoate, also die PHAs, sind ein Beispiel für biobasierte Polymere im Segment der Massenkunststoffe. Die Biopolymere beginnen also, sich dort zu etablieren.

Ich halte zukünftig auch den Bereich der hochwertigen und hochpreisigen Kunststoffe für sehr attraktiv, weil es dort eine Fülle von Anwendungen gibt und sich künftig noch große Märkte erschließen lassen. Polyamide wären da ein Beispiel.
Das Bild zeigt einen Edelstahlfermenter
Experimente im Versuchsfermenter sind die Basis für spätere industrielle Prozessführungen. (© Bächtle/BIOPRO)

Entscheidend für die Konkurrenzfähigkeit der biotechnologischen Verfahren sind die Ausbeuten der Basisstoffe, die anschließend für die Polymerherstellung verwendet werden. Auf welchem Weg lassen sich die Ausbeuten am ehesten steigern?

Der größte Hub, der in den vergangenen Jahren gemacht wurde und der künftig noch größer sein wird, liegt in neuen, vor allem systembiologischen Strategien, mit denen die Produktionsstämme optimiert werden. Anhand dieser Strategien wird man mit neuen Tools, die wir bereits haben, ein sehr umfassendes Bild von den Genomsequenzen, Stoffflüssen und Metaboliten in den Zellen bekommen. Damit erfahren wir, was wir an einem Organismus zu verändern haben.

Früher hat man durch Versuch-und-Irrtum Organismen optimiert, also durch Zufallsmutagenese und Selektion den am besten geeigneten Organismus erzeugt. Heute kann man das zielgerichtet und maßgeschneidert machen und schrittweise in einen Stamm verschiedene positive Modifikationen einbauen und den Organismus nach und nach optimieren. Diese Strategien öffnen uns Möglichkeiten, die weit über das hinausgehen, was wir vor ein paar Jahren noch hatten.

Das wird den Ausschlag dafür geben, dass wir maßgeschneiderte Zellfabriken machen können, die eine effiziente  Produktion ermöglichen und kompetitiv zu petrochemischen Verfahren sind.

Welche Steigerungen sind mit den neuen Verfahren noch drin?

Es ist schwer, eine Prozentangabe zu machen. Sicher ist aber, dass Stämme, die mit den klassischen Verfahren optimiert wurden, denjenigen, die wir mit den neuen Verfahren verbessern, deutlich unterlegen sein werden. Die klassischen Stämme haben tausende von Mutationen, von denen aber nur paar nützlich für die Produktion sind. Viele dieser Mutationen sind sogar von Nachteil. Die Bakterien wachsen schlechter, sind stressanfälliger, brauchen zusätzliche Nährstoffe.

Über die genaue Analyse weiß ich aber, wo ich etwas ausschalten muss, wo etwas hinzukommen muss, ich kann die Zelle also sozusagen am Reißbrett entwerfen und mit gentechnischen Methoden gezielt optimieren. Diese Zellen wachsen schneller, die Produktivität ist höher und die Anforderungen an die Kulturbedingungen sind geringer.
Wird dadurch die Auswahl des Ausgangsstammes beliebiger? Oder braucht man bereits einen leistungsstarken Kandidaten, der dann weiterentwickelt wird?

Einerseits gibt es den Trend, etablierte Organismen wie E. coli, Corynebacterium oder Bacillus als Plattformorganismen auszubauen. Mit diesen kann man dann verschiedene Produkte gewinnen, indem man nur bestimmte Stoffwechselwege anpasst. Der Vorteil ist, dass man den Organismus und seine Kultivierung gut kennt. Andererseits ist es heute auch kein Problem mehr, einen neu entdeckten Stamm, ein neues Isolat, zu analysieren und zu optimieren. Die Genomsequenzierung kostet für ein Bakterium inzwischen noch rund 5.000 Euro. Das heißt, wir sind heute in der Lage, auch bei einem unbekannten Organismus das Potenzial für die biotechnologische Produktion zu beleuchten und in die gewünschte Richtung zu verändern.
Wäre im Hinblick auf die erforderlichen Effizienzsteigerungen nicht eine Plattformstrategie besser? Man kennt die Stellschrauben und modifiziert den Organismus je nach Kundenwunsch.

Ja, der Organismus ist dann nur noch die Drehscheibe, und je nachdem, wie ich ihn modifiziere macht er Verbindung A, B oder C. Das ist sicher eine interessante Strategie für die Zukunft. Das hat für die Unternehmen auch den Vorteil, dass sie Patente, über die sie verfügen, auch weiter benutzen können.
Stichwort Rohstoffe – da besteht aktuell eine Konkurrenzsituation zwischen der stofflichen Nutzung, der energetischen Nutzung und der Nutzung als Nahrungsmittel. Wie könnte der Ausweg aussehen?

Ich denke, dass es ein Stück weit der Markt regeln wird, was wir woraus produzieren. Das hängt natürlich von Verfügbarkeit, von Preisen, von Rohstoffalternativen ab. Es gibt also sehr viele Einflussgrößen.

Was es sicher geben wird, ist eine Entwicklung, die weg führt von Rohstoffen aus Nahrungsmitteln. Diesen Trend kann man bereits beobachten und dort sehe ich auch eine wichtige Aufgabe der Biotechnologie. Wir müssen alternative Rohstoffquellen erschließen, wie zum Beispiel Holz, Zellulose, Hemizellulosen oder Abfälle. Wir müssen wegkommen von Rohstoffen wie Stärke, um die Nahrungsmittelschiene zu verlassen. Es gibt zum Beispiel sehr intensive Forschungen in Richtung Zellulosenutzung, aber das sind sehr dicke Bretter, an denen man sich, teilweise schon seit Jahrzehnten, die Zähne ausbeisst. Das ist ein sehr schwieriges Forschungsfeld, zeigt aber in die richtige Richtung.
Sie sprachen die Rolle der Produktionsstämme an. Auf einer Skala von eins bis zehn – eins für ,nicht vorhanden‘ und zehn für ,sehr gut umgesetzt‘ – wo stehen wir heute bei der Entwicklung von Mikroorganismen für die industrielle Produktion von biobasierten Polymeren?

Ich würde sagen, wir stehen in der Mitte. Die Forschung hat schon große Fortschritte gemacht, die ermutigend sind. Aber ich sehe noch Luft nach oben. Die Prognosen für die Biotechnologie sind insgesamt sehr gut, aber es liegt noch ein weiter Weg vor uns.
Zwei Wissenschaftler im Labor, im Hintergrund ist eine Schreibtafel zu erkennen. Im Vordergrund steht ein Fermenter.
Effizienzsteigerung ist ein vorrangiges Ziel der Biotechnologie, um zu etablierten Prozessen konkurrenzfähig zu werden.  (© Bächtle/BIOPRO)

Bernsteinsäure und Diaminopentan sind zwei Komponenten für die Kunststoffchemie, die bereits biotechnologisch produziert werden. Beide leiten sich mehr oder weniger direkt aus dem Tricarbonsäurezyklus ab, einem sehr zentralen Stoffwechselweg. Wird man sich zunächst auf diese Schlüsselstellen im Stoffwechsel konzentrieren oder auch abseits der Hauptstraßen nach Basis-Komponenten für Kunststoffe suchen?

Bernsteinsäure und Diaminopentan waren die ersten Versuche, Metabolite zu gewinnen, die sich aus dem zentralen Stoffwechsel ableiten und für die Kunststoffherstellung interessant sind. Man könnte künftig aber auch den umgekehrten Weg gehen und schauen, welche Polymere sind am Markt und welche Eigenschaften haben sie. Anschließend würde man überlegen, wie man die erforderlichen Bausteine mit Mikroorganismen herstellen könnte – auch wenn sich die gewünschten Moleküle nicht direkt aus dem Stoffwechsel ableiten lassen. Denkbar wären synthetische Zellfabriken, die ganz neue Stoffwechseleigenschaften haben, die man erst durch Kombination von Genen aus verschiedenen Organismen bekommt.

Mittelfristig könnte das ein neuer Weg sein. Man würde sich am Markt orientieren, indem man analysiert, welche Stoffe, welche Komponenten, welche Eigenschaften gefragt sind. Entsprechend würde man dann die Produktionsorganismen entwerfen.

Die Biotechnologe versucht also einerseits die Rohstoffe der klassischen Petrochemie mit biobasierten Molekülen teilweise zu substituieren und sucht andererseits nach neuen Basisstoffen für völlig neue Polymere mit neuen Eigenschaften.

Genau, das sind die beiden Wege. Das Beispiel Diaminopentan zeigt, dass wir mit der Biotechnologie neue Basisstoffe liefern und somit neue Polymere produzieren können. Diaminopentan ist chemisch nicht einfach herzustellen, deswegen gibt es das auch kaum in der Petrochemie. Man hat aber herausgefunden, dass Polyamide, die auf diesem Monomer basieren, sehr attraktive Eigenschaften haben. Dank der Biotechnologie können diese jetzt für Produkte genutzt werden.
Wenn Sie Produktionsstämme gezielt entwerfen und damit Produkte nach Maß fertigen können, sind das die ersten Schritte in Richtung biotechnologisches Materialdesign? Kommt eines Tages der Kunststoff nach Kundenwunsch?

Das halte ich für möglich. Wir machen im Moment die Monomere und der Polymerchemiker synthetisiert daraus Polymere. Das könnte auch in Zukunft so laufen. Der Polymerchemiker würde entsprechende Materialeigenschaften auf Kundenwunsch realisieren und die Biotechnologie liefert die erforderlichen Basisstoffe. Im Bereich der Polyamide gibt es ja sehr vielfältige Zusammensetzungen der Polymere. Da ist eine Kooperation zwischen Biotechnologie und Polymerchemie sicher der richtige Weg.

Ganz langfristig könnte man sich auch vorstellen, dass man komplette Syntheserouten in der Biotechnologie hat. Aber das ist im Moment eher visionär gedacht.
Ein Beitrag von:
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chb - 10.04.2010
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