Ein Forscherteam der Michigan State University (MSU) hat eine Methode entwickelt, um eine Bakteriengemeinschaft zu nutzen biologisch abbaubaren Kunststoff vor Sonnenlicht schützen.

Diese Methode beseitigt die negativen Auswirkungen von synthetischem Kunststoff auf die Umwelt.

"Ein Hauptproblem ist, dass die meisten synthetischen Kunststoffe heutzutage nicht vollständig biologisch abbaubar sind. Sie halten also Hunderte von Jahren, nachdem sie entsorgt wurden, auf Mülldeponien und in Wasserökosystemen." Taylor Weiss, der die Forschung leitete, während er als Postdoktorand im Ducat - Labor der MSU-Department of Energy Pflanzenforschungslabor und ist jetzt ein Hilfsprofessor im Umwelt- und Ressourcenmanagement-Programm an der Arizona State University, sagte in einer Erklärung.

Die Forscher paaren zwei Arten von Bakterien zusammen. Die ersten, synthetischen Cyanobakterien, verwenden Sonnenlicht, um Zucker zu erzeugen. Die anderen Bakterien, Halomonas boliviensis, ernähren sich von den gebildeten Zuckern, um essentielle Materialien herzustellen, die zur Herstellung von Biokunststoffen verwendet werden.

Im Wesentlichen basiert die gesamte biotechnologische Industrie auf Zucker, sagte Daniel (Danny) Dukat, leitender Autor der Abteilung für Forschung und Assistenzprofessur an der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie der MSU.

"Zum Beispiel nehmen wir Zucker aus Pflanzen (z. B. Mais, Zuckerrohr, Zuckerrüben) und füttern sie mit Hefe, um daraus Ethanol zu gewinnen", sagte Ducat. "Die Frage war also: 'Können wir Cyanobakterien dazu bringen, Zucker noch effektiver zu produzieren als eine Pflanze?' ‌"

Das Team hat sein Ziel erreicht. Auf diese Weise fanden die Forscher einen umweltfreundlichen Weg, um Zucker zu produzieren, die die Produktion vieler verschiedener Arten von Bioprodukten antreiben können.

Bei früheren Methoden würden Wissenschaftler Mais und Zucker Plastikbakterien zuführen. Obwohl sich diese Methode bei der Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe als wirksam erwiesen hat, ist sie sehr teuer, erfordert viele landwirtschaftliche Ressourcen und wirkt sich negativ auf die Umwelt aus.  

Die neue Methode, bei der Zucker verwendet wird, der durch die Reaktion von Cyanobakterien auf Sonnenlicht entsteht, arbeitet nachweislich 20-mal schneller als frühere Versuche, ist billiger, vermeidet fossile Brennstoffe für die Produktion und zielt darauf ab, die Auswirkungen von Kunststoffen auf die Umwelt zu verringern.

Zusätzlich zu den Vorteilen dieser Praxis wachsen Cyanobakterien in Umgebungen wie Eisbergwänden oder an den Rändern heißer Quellen, in denen Pflanzen nicht wachsen können, reichlich. Dies verringert den Bedarf an Ackerland, um die Bakterien zu züchten.

Der Einsatz von Cyanobakterien „erfordert nicht unbedingt das Ackerland oder das Trinkwasser der Pflanzen und hätte daher nicht so viele negative Umweltfolgen wie einige unserer derzeitigen Verfahren“, sagte Ducat.

Die Studie

Ducats Arbeiten zur Verwendung von Cyanobakterien begannen in 2011. So haben die Forscher bereits aus früheren Experimenten verstanden, dass die Bakterien durch Photosynthese schnell eine große Menge Zucker erzeugen können. Diese kürzlich durchgeführte Studie war im Wesentlichen eine Suche nach einem guten Mikrobenstamm, der als Partner für Cyanobakterien dienen kann, um schnell Bioprodukte zu produzieren.

"Wir fanden Halomonas boliviensis als einen guten Kandidaten, da es sowohl an das Wachstum von Saccharose gewöhnt ist, lange Zeiträume mit geringem Zuckeraufwand überlebt als auch einen Metaboliten produziert, der als Vorstufe für die Herstellung von Biokunststoffen nützlich ist." Dukat sagte.

"Wir hatten also eine wirklich gute zuckerproduzierende Cyanobakterie, die diesen Zucker aus Sonnenlicht und Kohlendioxid macht, und eine Bakterien, die auf natürliche Weise einen nützlichen Biokunststoff produziert, wenn sie Zucker isst", sagte Ducat. "Der Rest fand nur die richtigen Tricks, um diese beiden Mikroben zusammenzuarbeiten."

Durch die synthetische Paarung der Mikroben konnten die Forscher Biokunststoffe monatelang stabil herstellen.

Wissenschaftler haben in der Vergangenheit Bioproduktionssysteme geschaffen, aber diese neue Methode verbessert sich im Laufe der Zeit ohne menschliche Einmischung, sagte Weiss in einer Erklärung.

"Die Cyanobakterien produzieren ständig Zucker durch Photosynthese, und die Bakterien fressen ständig Zucker nach, was die Cyanobakterien dazu anregt, weiterhin Zucker zu produzieren", sagte Weiss in einer Erklärung. „Das System entwickelt sich also kontinuierlich in einem positiven Zyklus weiter.“

In Zukunft wollen die Forscher Cyanobakterien mit zusätzlichen Zielmikroben testen. Auf diese Weise können die Forscher möglicherweise synthetische Gemeinschaften dazu ermutigen, mehr „grüne“ Verbindungen herzustellen, die biologisch hergestellt werden können, wie Biokraftstoffe, Duftstoffe, essbare Farbstoffe und Medikamente.

"Letztendlich schaffen wir nicht nur Alternativen zu synthetischen Produkten", sagte Weiss in einer Erklärung. "Wir versuchen, die Natur zu bitten, das zu tun, was sie am besten kann: das Problem für uns herauszufinden."

Die Studie ist veröffentlicht in der Zeitschrift Stoffwechseltechnik.

Das Forschungsteam umfasst auch Eric Young, ein Doktorand im MSU-Programm für Biochemie und Molekularbiologie.