de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der brasilianischen Universität Campinas (Unicamp) hat ein gentechnisch verändertes Verfahren entwickelt, das die Bioethanolausbeute im Vergleich zu unveränderten Stämmen um fast 30 % steigern kann. Die Technologie wurde zum Patent angemeldet und über die Unicamp-Innovationsagentur Inova Unicamp an das US-amerikanische Unternehmen Terragia Biofuel lizenziert, das die Hochskalierung der Testphase vorantreiben wird.
Das Ergebnis stammt aus der Doktorarbeit von Layse Costa de Souza am Zentrum für Molekularbiologie und Gentechnik (CBMEG) der Unicamp und ist Teil einer Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsvereinbarung zwischen der Unicamp, dem Dartmouth College in den USA und Terragia Biofuel. Die Arbeit ist am an der Unicamp angesiedelten Labor für fortgeschrittene Biokraftstoffe der zweiten Generation (A2G) angesiedelt und wird von der Stiftung zur Forschungsförderung des Bundesstaates São Paulo (Fapesp) über das Programm São Paulo Excellence Chair (SPEC) finanziert.
Ethanol der zweiten Generation (2G) gilt als potenzielles Zwischenprodukt für nachhaltige Flugkraftstoffe und Grundchemikalien, doch seine Produktionskosten liegen derzeit über denen fossiler Brennstoffe und von Ethanol der ersten Generation. Das herkömmliche Verfahren nutzt Abfälle wie Bagasse und Stroh als Rohstoffe und setzt auf Hefegärung. Es erfordert eine thermochemische Vorbehandlung bei hohen Temperaturen sowie den Einsatz von Hydrolase-Enzymen zur Spaltung von Hemicellulose und zur Umwandlung von Cellulose in Glucose – zwei Prozessschritte, die die Kosten erheblich in die Höhe treiben. Eine Alternative ist die Konsolidierte Bioprozesstechnik (CBP), bei der anaerobe thermophile Bakterien die Hefe ersetzen und die Mikroorganismen Lignocellulose-Abbau und Fermentation in einem einzigen Prozess durchführen, wodurch der Vorbehandlungsschritt entfällt.
Der CBP-Ansatz wird seit über dreißig Jahren vom Team um Professor Lee Lynd am Dartmouth College erforscht, wobei das Bakterium Clostridium thermocellum im Mittelpunkt steht. Dieses Bakterium kann Cellulose effizient abbauen, produziert aber von Natur aus nur wenig Ethanol. Christopher David Herring, Forscher bei Terragia Biofuel, weist darauf hin, dass die bestehende Hefegärung nur eine begrenzte Vielfalt an Kohlenhydraten nutzen kann, während diese Bakterien zwar mehr Kohlenhydratarten fermentieren können, aber erst durch Gentechnik eine vergleichbare Effizienz erreichen. Das Team wusste zuvor nur wenig über die Gleichgewichtsmechanismen von Wasserstoff und Elektronen im bakteriellen Stoffwechsel – genau diese Wissenslücke begrenzte die Ethanolausbeute.
Um diese Lücke zu schließen, führten die brasilianischen und US-amerikanischen Forscher ein zweites Bakterium ein: Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Dieses ist ebenfalls anaerob und thermophil, zeichnet sich durch eine effiziente Ethanolproduktion aus, kann aber keine Cellulose abbauen. Die beiden Mikroorganismen ergänzen sich: Der eine ist auf den Abbau von Biomasse spezialisiert, der andere auf die Ethanolproduktion.
Souza verbrachte ein Jahr ihrer Doktorandenausbildung im Lynd-Labor, nachdem sie zuvor zwei Jahre in Brasilien geforscht hatte. Während des Auslandsaufenthalts kartierte sie die Stoffwechselwege des effizient Ethanol produzierenden Stammes, identifizierte Schlüsselproteine und übertrug die entsprechenden Gene über Plasmide in die CBP-Bakterien, die zuvor nicht gut fermentierten. In einem weiteren Teil ihrer Experimente an der Unicamp wies sie durch biochemische Tests nach, dass das Protein ein zentraler Bestandteil des Mechanismus ist.
Die Forschung widerlegte eine alte Annahme der mikrobiellen Biochemie: Wasserstoffproduzierende Hydrogenasen galten bisher als Konkurrenten der Ethanol-Synthese, da sie Elektronen abziehen, die eigentlich in das Endprodukt fließen könnten. Das Team identifizierte eine spezifische Hydrogenase namens HfsD, die genau das Gegenteil bewirkt – fehlt dieses Enzym, können die Zellen Ferredoxin nicht recyceln und auch nicht den für den letzten Reaktionsschritt benötigten Cofaktor NADPH erzeugen. Die darauf basierende Hypothese des „Redox-Gleichgewichts durch Wasserstoffzyklus“ wurde in Souzas Doktorprüfung im April 2026 offiziell vorgestellt. Da HfsD überschüssige Cofaktoren erzeugt und Hilfsproteine für den Ausgleich des Prozesses benötigt werden, testete das Team zwei Stämme mit unterschiedlichen Genkombinationen.
Die Labortests zeigten, dass die Ausbeute der veränderten Stämme um fast 30 % höher lag als bei unveränderten Bakterien. Der Stamm A2G-0053 steigerte die Ausbeute nach dem Einbau der Schlüssel-Hydrogenase von 59,8 % auf 88,5 % des theoretischen Maximums. Luana Walravens Bergamo, Forscherin am CBMEG, bewertete dies als deutlich signifikanteres Ergebnis, da frühere Modifikationsversuche mit heterologen Proteinen üblicherweise nur Steigerungen von 5 % bis 10 % erzielten.
Der Schwerpunkt des Projekts liegt derzeit auf der Ethanolproduktion aus Bagasse; auch Agave, Maisstroh und Eukalyptusblätter können als Substrate dienen. Bergamo erwähnte, dass die gemeinsame Herausforderung aller Stämme darin besteht, die Produktionsgrenzen der Bakterien sowie den kritischen Punkt der Rückhemmung durch Ethanolakkumulation zu ermitteln. Zudem muss die Konkurrenzfähigkeit der veränderten Stämme gegenüber eindringenden Bakterien in industriellen Bioreaktoren bewertet werden. Die nächste Phase der Hochskalierungstests wird vom US-amerikanischen Unternehmen durchgeführt, das die Technologie lizenziert hat, um zu überprüfen, ob sich die Labortestergebnisse in großtechnischen Chargen reproduzieren lassen.
