Mikroalgen rücken zunehmend in den Fokus der Forschung als vielversprechende Plattform für die nachhaltige Biokraftstoffproduktion, da sie mithilfe der Photosynthese Kohlendioxid in energiereiche Verbindungen umwandeln können, ohne mit Nahrungspflanzen zu konkurrieren. Die praktische Anwendung von Algenbiokraftstoffen steht jedoch seit Langem vor großen Herausforderungen. In vielen konventionellen Systemen reichern sich kraftstoffrelevante Lipide in den Zellen an, was bedeutet, dass große Mengen an Algenbiomasse geerntet, konzentriert, getrocknet und extrahiert werden müssen. Diese nachgelagerten Prozesse sind mit einem erheblichen Energie- und Kostenaufwand verbunden. Darüber hinaus kann der Einsatz gentechnisch veränderter Algen im großflächigen Freilandanbau durch strenge Vorschriften für gentechnisch veränderte Organismen eingeschränkt sein, wenn diese Fremdgene enthalten.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Yoshitaka Nishiyama von der Graduiertenschule für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen der Universität Saitama hat in Zusammenarbeit mit Forschern der Taisei Corporation, der Universität Chubu und des Kazusa DNA Research Institute Cyanobakterienstämme entwickelt, die freie Fettsäuren (FFAs) produzieren und in das Kulturmedium abgeben. FFAs sind wichtige Vorläuferstoffe für nachhaltige Flugkraftstoffe und Alternativen zu Dieselkraftstoff. Die Ergebnisse wurden am 30. April 2026 online in der Fachzeitschrift „ Biotechnology for Biofuels and Bioproducts“ veröffentlicht .
Das Team konzentrierte sich auf das Süßwasser-Cyanobakterium Synechococcus elongatus PCC 7942, einen in der Photosyntheseforschung weit verbreiteten Modellorganismus für die Photosynthese. Anstatt fremde Gene einzuführen, verstärkten die Forscher bereits vorhandene Gene des Organismus. Zunächst schalteten sie das Gen für die Acyl-Acyl-Carrier-Protein-Synthetase (Aas) aus, ein Enzym, das freie Fettsäuren (FFAs) zu Acyl-ACP recycelt. Anschließend überexprimierten sie einen endogenen RND-Typ-Effluxtransporter, der den Transport von FFAs aus der Zelle unterstützt, sowie zwei endogene Galactolipasen, LipB und LipC, die FFAs aus Membrangalactolipiden freisetzen.
Diese Kombination schuf eine photosynthetische „lebende Brennstofffabrik“, die freie Fettsäuren (FFAs) innerhalb der Zelle produzieren und nach außen exportieren kann. Da die FFAs sezerniert werden, lassen sich die Brennstoffvorstufen leichter sammeln, ohne die Zellen zu zerstören. Diese extrazelluläre Produktionsstrategie ermöglicht möglicherweise auch eine kontinuierliche Brennstoffproduktion über die Grenzen der intrazellulären Speicherkapazität hinaus und reduziert gleichzeitig die Menge an zellulären Reststoffen.
Die Forscher verbesserten die Produktion weiter durch Optimierung der Kulturbedingungen. In einem zweiphasigen Kultursystem wurden die sezernierten freien Fettsäuren (FFAs) automatisch in einem organischen Lösungsmittel aufgefangen, das über dem Kulturmedium geschichtet war. Dies ermöglichte eine kontinuierliche Sammlung bei gleichzeitigem Erhalt der Zellen. Das Team fand außerdem heraus, dass starker Lichtstress in Kombination mit einer Kultivierungstemperatur von 25 °C, die unter der üblicherweise optimalen Temperatur von 32 °C liegt, die FFA-Produktivität pro Zelle deutlich erhöhte.
Der beste gentechnisch veränderte, selbstklonierende Stamm erreichte einen FFA-Titer von 389 ± 48 mg/L, eine FFA-Produktionsrate von 0,81 ± 0,10 mg/L/h, eine auf das Trockenzellgewicht bezogene Produktionsrate von 24,7 ± 5,8 mg/g-DCW/Tag und ein FFA-zu-Trockenzellgewicht-Verhältnis von 0,49 ± 0,12 g/g.
Da der Stamm keine fremden Gene enthält, könnte er – je nach den geltenden regulatorischen Rahmenbedingungen – weniger Hürden überwinden als herkömmliche gentechnisch veränderte Stämme. Diese Eigenschaft könnte insbesondere für den zukünftigen großflächigen Anbau im Freien, beispielsweise in offenen Teichen, von Bedeutung sein. Die Ergebnisse eröffnen somit einen Weg zu einer kostengünstigeren und praktikableren Produktion von Biokraftstoffvorprodukten mithilfe von Sonnenlicht und atmosphärischem Kohlendioxid.
Das Team plant, die selbstklonenden Stämme weiter zu verbessern, kostengünstige Methoden zur Gewinnung freier Fettsäuren zu entwickeln und die Produktion unter realen Freilandbedingungen, einschließlich schwankender Sonneneinstrahlung und Temperatur, zu optimieren. Diese Fortschritte könnten dazu beitragen, photosynthetische Mikroorganismen als nachhaltige Kraftstoffquelle für die Luftfahrt, den Transportsektor und andere schwer zu dekarbonisierende Bereiche zu etablieren.
DOI
Credits
Yoshitaka Nishiyama von der Saitama Universität
