Bakterien gegen Mikroplastik !?

Die Hoffnung, dass die Natur irgendwann selbst Lösungen gegen die Umweltverschmutzung findet, ist nicht vergebens. Nur ist sie mit einem deutlichen „Aber“ versehen, weil die Menschheit und ihr Fortschritt der Erde kaum Zeit dafür gibt.
Trotzdem steht fest: Die Natur hat die Kapazitäten. Sie liegen vor allem in der Evolution von Mikroorganismen wie Bakterien, die sich ja rasend schnell vermehren und mit flexiblem Erbgut auf ihre Umwelt reagieren können. Was sich Mikrobiologen und Biotechnologen davon abschauen, ist Thema unserer aktuellen Ausgabe von “IQ Campusscience”.

Bakterielle DNA ist anders organisiert als zum Beispiel menschliches oder Pflanzliches Erbgut. Sie ist nicht in einem Zellkern lokalisiert, sondern schwimmt frei in der Zellflüssigkeit, und ist selbst dort noch teilweise verteilt auf kleinere Fragmente, die Plasmide. Plasmide sind ringförmige, freie DNA-Sequenzen, und sie sind quasi die Anarchisten unter den Erbinformationsträgern. Plasmide können sich autonom replizieren und in Proteine, Enzyme oder Hormone übersetzen lassen, je nachdem, was auf ihnen geschrieben steht. Sie können unter gewissen Umständen sogar die (zellmorphologischen) Grenzen überschreiten und in andere, vorzugsweise mikrobielle, Zellen wandern und dort dasselbe tun. Professor Lars Blank beschäftigt sich an der RWTH Aachen mit „Metabolic Engineering“, also dem Umgestalten des Stoffwechsels von Mikroorganismen. Er erklärt, was die Existenz von Plasmiden für Bakterien in der Biotechnologie bedeutet:

„Dass sie genetisch zugänglich sind, d.h. dass man Mikroben hat wo man Erbinformationen so wie man das plant auch in die Mikrobe einbringen kann. Das ist die Grundtechnik die man braucht, das nennt man Transformation, dass man einen Träger von Erbinformationen hat. Je nachdem welcher Organismus, spricht man von einem Plasmid, und das kann man über die Zellwand und – membran in die Zelle einbringen, und schon hat man eine neue Erbinformation.”

(Anm.: Als Mikroben werden Einzeller bezeichnet. Das können sowohl Bakterien als auch Geißeltierchen oder sogar niedere Pilze wie Hefe sein. Plasmide kommen ursprünglich nur in Bakterien vor, können aber z.B. in Pflanzen oder Pilzzellen wandern.)

Diese Plasmide, Erbinformationsträger also, können von Biotechnologen gentechnisch beschriftet und addressiert werden. Wünschenswerte Eigenschaften werden so auf den Organismus der Wahl übertragen. Eine Erfolgsgeschichte dieser Methode ist zum Beispiel die mikrobielle Insulinproduktion.

Im Labor ist die Überlebensfähigkeit transformierter Organismen nicht beeinträchtigt. Die Transformierung bedeutet in diesem Fall nur einen Funktionsgewinn.

“Das ist ein Bakterium oder eine Hefe, je nachdem welche Firma. Die kann halt wachsen, die kann Eiweiße herstellen. Und das Einzige, was man der dann noch zusätzlich beibringt, ist, dass sie noch Insulin synthetisieren kann. Unser Darmbakterium Escherichia coli, da funktioniert das ganz toll.“

Ein Organismus wie E. coli also, der immer verfügbar sein wird, solange es Menschen gibt, kann für uns eine ganze Menge nützlicher Enzyme produzieren. Man hat ihm quasi, wie einem Haustier, einen richtig coolen Trick beigebracht.

Mit dem erstaunlichen Bonus, dass das Bakterium diesen Trick automatisch an seine Nachkommen weitergibt.

Lars Blank sagt:

Der (Eingriff) ist von Dauer, weil ich die Erbinformation verändere. Mal nimmt man was weg, mal gibt man was dazu. Eine ungewünschte Eigenschaft von E. coli ist zum Beispiel, dass sie Essigsäure herstellt. Und dann nehme ich diese Gene für die Essigsäureproduktion aus dem Genom heraus, und dann kann es das nicht mehr. Das nennen wir eine Deletion.

Im Detail muss man sich auch ziemlich viel über Regulation, Transport und quantitativen Ertrag Gedanken machen, aber im Großen und Ganzen nimmt man einfach Erbinformationen weg oder fügt sie hinzu, und dadrüber kann man den Metabolismus des Organismus verändern.“

Wir haben in Europa strikte Regeln, die keine im Labor transformierte Bakterien in freier Wildbahn erlauben. Das gilt aber nicht für die Produkte, die sie produzieren, stellt Lars Blank klar.

„Wenn sie irgendein Waschmittel nehmen, da sind diese Produkte drin. Also da ist ja keine Erbinformation dabei. Die Produkte, die mit einem transformierten Organismus hergestellt sind, das ist kein Problem!“

Und ein solcher Trick könnte eben auch der Abbau von Mikroplastik sein.

Man hatte jedoch lange keine konkrete Vorstellung, wie Enzyme zum Plastikverdau auszusehen haben. Das war das fehlende Puzzleteil für diese biotechnologische Herangehensweise an das Mikroplastik-Problem. Aber jetzt gibt es ja ein Vorbild…

IQ Redakteur Joshua Hermens spricht hier von der Entdeckung japanischer Forschergruppen, die nahe einer Firma für PET-Flaschen-Recycling ein Bakterium entdeckt haben, dass Plastik verdaut. Darüber hört ihr in unseren folgenden Beiträgen Genaueres!

115 Plastikbecher, zwei Flip-Flops, 25 Plastiktüten und einen Nylonsack hat man letzte Woche an einem Ort gefunden, wo sie definitiv nicht hingehören: Im Bauch eines Wales. 6 Kilo Plastik hatte das Tier insgesamt im Bauch, ausgelöst durch immer mehr Plastikmüll, der im Meer herumschwimmt.

Wir haben ein Plastikproblem – das kann man kaum bestreiten. Etwa 350 Millionen Tonnen produziert der Mensch pro Jahr. Für die Relation: Das ist ungefähr das Gewicht von fünfunddreißigtausend Eiffeltürmen.
Ständig sterben Bäume. Damit ist gar nicht mal das Waldsterben gemeint, sondern ein völlig natürlicher Prozess. Äste brechen ab, alte Bäume gehen zugrunde, neue wachsen nach. Wie viel Masse so jedes Jahr ausgetauscht wird, kann man schwer mit einer Zahl beziffern, aber die Größenordung liegt weit über „Eiffelturm“.
Warum haben wir eigentlich kein Holzproblem?
Die Antwort liegt auf der Hand: Holz wird in der Natur abgebaut – Mikroorganismen,  also Bakterien und Pilze ernähren sich vom Holz, auch größere Tiere können Holz verdauen. Aber warum können wir unser Plastik nicht auf die gleiche Art loswerden?

“Diese Kunststoffe gibt es ja erst, seit die Menschen vor grob 100 Jahren überhaupt angefangen haben, Kunststoffe herzustellen. Ein Baum wird abgebaut von bestimmten Enzymen, aber die Bäume gibt es schon lange, und die Evolution konnte passende Enzyme entwickeln.”

Sagt Professor Uwe Bornscheuer, Biotechnologe an der Uni Greifswald. Die Evolution zu ist zu langsam. Damit hat sich das Thema Plastikabbau durch Bakterien also erledigt. Oder doch nicht?

2016 machten Forscher der japanischen Arbeitsgruppe von Shosuke Yoshida eine revolutionäre Entdeckung: Ein Bakterium, das tatsächlich in der Lage ist, den Kunststoff PET abzubauen:

“Das Besondere ist, dass dieses Bakterium zwei Enzyme herstellt. Das eine Enzym wird ausgeschleust vom Bakterium, das Enzym wurde als PETase bezeichnet – also ein Enzym, das den Kunststoff PET, wie wir ihn aus Trinkflaschen kennen, abbauen kann. Daraus entstehen Bruchstücke, und diese Bruchstücke sind klein genug, um vom Bakterium aufgenommen zu werden. Und das ganz Besondere und bisher einzige Beispiel ist, dass dieser Mikroorganismus dann auch diese Bruchstücke spalten und als Wachstumsquelle nutzen kann.”

Das ist so sensationell, dass die Publikation aus Japan es bis in das Jounal Science geschafft hat, eine der renommiertesten wissenschaftlichen Zeitschriften der Welt. Doch das Bakterium alleine löst das Praktikum nicht. Das Problem: Das neu gefundene Enzym arbeitet sehr langsam: Um einen tesafilmgroßen Streifen PET abzubauen, brauchten die Bakterien einige Wochen.
Also versucht man, das Bakterium zu verbessern, den Gencode so zu verändern, dass das Enzym schneller wird, und stabiler. Wie das funktioniert, erklärt Professor Bornscheuer:

“Wenn Sie die Raumstruktur kennen, wie ein Enzym dreidimensional aufgebaut ist, dann können Sie das am Rechner anschauen, das PET in das Molekül hineindocken, und dann sieht man, wo es vielleicht klemmt. Dann können Sie eine kleinere einbauen, dann hat das PET vielleicht mehr Platz und kann besser gespalten werden.”

Doch leider löst auch das das Plastikproblem nicht so ganz. Denn es gibt ja nicht nur PET, sondern viele weitere Kunststoffe, bei denen das neue Bakterium nicht funktioniert.

Doch zumindest beim Recycling unterstützen könnte Ideonella Sakaiensis. Professor Bornscheuer schlägt vor, wie man es machen könnte: 

“Den Plastikmüll, der im Meer schwimmt, den müsste man wahrscheinlich einsammeln, und wir dürfen nichts mehr ins Meer werfen. Diese Verfahren, wo man Enzyme nutzt die kann man für das Recycling nutzen, das heißt: Wir sammeln Plastik ein und können die Kunststoffe recyclen und wieder neue Kunststoffe daraus machen.”

Unsere Plastikproduktion einschränken müssen wir so oder so. Doch Wissenschaftler wie Professor Uwe Bornscheuer von der Uni Greifswald hoffen, dass man einen Teil des Plastiks bald mit plastikverdauenden Bakterien abbauen kann, damit man es nicht verbrennen muss, und so ein noch viel größeres Umweltproblem verursacht. 

Doch es gibt auch skeptische Stimmen, eine davon kommt aus Münster, von Professor Alexander Steinbüchel:

“Das ist nach meiner Auffassung kaum denkbar, und es ist auch bisher nicht verifiziert worden.”

Zwei Wissenschaftler, zwei Ansichten. Der eine, Professor Bornscheuer aus Greifswald,
will das plastikverdauende Bakterium gentechnisch verbessern. Der andere, Professor
Steinbüchel aus Münster, sagt: Ein plastikverdauendes Bakterium – das gibt es gar nicht,
und legt sogar noch nach:

“Das ist ja jetzt auch schon fast drei Jahre her, und technisch ist da bisher nichts umgesetzt worden, was ja auch indirekt andeutet, dass dieses Enzym doch gar nicht so effektiv ist, oder das vielleicht gar nicht kann.”

Wer von den beiden Recht hat, das wird die Zeit zeigen. Professor Steinbüchel forscht in
der Zeit an einer anderen Strategie, und greift dabei ebenfalls auf Bakterien zurück:

“Wir beschäftigen uns mit Biopolymeren im weitesten Sinne, und darunter befinden sich auch Biopolymere, die man einsetzen kann, um Plastikmaterialien herzustellen. Es gibt Bakterien, die können ein Polyester herstellen und in den Zellen ansammeln, und diese Polyester sind biologisch abbaubar.”

Die so erzeugten Kunststoffe werden innerhalb weniger Wochen in der Natur abgebaut. In Zukunft also keine Plastikbecher mehr im Magen von Walen, keine Strohhalme in den Nasenlöchern von Schildkröten, kein Mikroplastik im menschlichen Körper, wie es vor kurzen in Stuhlproben gefunden wurde?

Im Weg steht, wie so häufig, das Geld:

“Man muss das Material in größeren Mengen preiswert produzieren. Und die Betonung liegt auch auf preiswert, das ist bisher noch nicht richtig gelungen. Die Produktionsprozesse sind noch zu teuer und können nicht mit den Produktionsprozessen ökonomisch konkurrieren, mit denen die chemische Industrie Polyethylen herstellt.”

Die Kosten für die Produktion liegen für Polyethylen bei ein bis zwei Euro pro
Kilogramm, für biologisch abbaubare Kunststoffe bei 5 Euro, und die Lücke wird in
absehbarer Zeit wohl nicht geschlossen. Dafür ist Erdöl, der Rohstoff für Polyethylen,
noch zu günstig, und die Industrie zu sehr an die Produktion von Polyethylen und PET
gewöhnt. Der Vormarsch von umweltfreundlichem Plastik ist wohl nur möglich, wenn die
Produktion von Polyethylen von der Politik verboten, oder zumindest eingeschränkt wird.

Gentechnisch veränderte, plastikfressende Bakterien – klingt erst mal gruselig. Was gibt es für Risiken solcher Bakterien? Und können sie für uns gefährlich werden? IQ-Reporterin Julia Steinigeweg hat für uns die Antworten: