Das aber hat bisher einen Haken: Diese Abfälle enthalten viel Lignozellulose, eine Substanz, die diese Pflanzenteile hart und stabil macht, aber auch ihren biologischen und chemischen Umbau erschwert. Unter anderem deshalb sind solche verholzten Pflanzenteile auch für uns unverdaulich. Um dieses haltbare Molekül zu Biotreibstoff zu machen, ist eine ganze Kette von Schritten nötig, wie die Forscher erklären: Erst muss man geeignete Enzyme haben, die die verzweigte Struktur der Lignozellulose knacken. Dann muss diese in lösliche Zucker zerlegt werden und schließlich benötigt man noch Hilfsmittel, die die Zucker in den entsprechenden Treibstoff umwandeln, beispielsweise einen Alkohol wie Ethanol. “Bisher war die typische Strategie hier, eine Mikrobe zu züchten, die alle benötigten Umwandlungsschritte beherrscht”, erklären Minty und seine Kollegen. Doch solche Versuche, eine “Supermikrobe” maßzuschneidern, sind nur bedingt erfolgreich. Meist hapert es an der Ausbeute – der mikrobielle Helfer arbeitet nicht effektiv genug.
Effektive Arbeitsteilung zwischen Pilz und Bakterium
Minty und seine Kollegen haben daher eine andere Strategie verfolgt: Teamwork. Sie entwickelten ein System, bei dem sich zwei Organismen die Aufgaben teilen: Ein Pilz, Trichoderma reesei, übernimmt den ersten Schritt und zerlegt die stabilen Lignozellulose-Ketten in Zucker. Da diese Pilzart in der Natur oft Holz befällt, bringt sie die Enzyme zum Knacken der Zellulose praktischerweise gleich mit. Den zweiten Schritt erledigt dann das Bakterium Escherichia coli. Von dieser Mikrobe existiert bereits ein gentechnisch veränderter Stamm, der aus löslichem Zucker Isobutanol herstellt. Dieser Alkohol liefert beim Verbrennen sogar mehr Energie als Ethanol – nur 18 Prozent weniger als Benzin, wie die Forscher erklären. Er sei daher ein effektiverer Bio-Treibstoff als Ethanol und gelte bereits als vielversprechende Alternative.
Die entscheidende Frage war aber nun: Wie groß ist die Ausbeute dieses Teamworks von Pilz und Bakterium? Um das zu testen, füllten die Forscher beide Mikrobenarten in einen Bioreaktor und gaben dann vorbehandelte Maisstängel und -blätter hinzu. Das Ergebnis: “Ohne Zugabe von teuren Nährstoffen haben wir damit eine Ausbeute von 1,88 Gramm Isobutanol pro Liter Flüssigkeit erreicht”, berichten Minty und seine Kollegen. Das sei die bisher höchste Ausbeute bei einer Umwandlung harter Pflanzenfasern in einen Biotreibstoff. Das Team aus Pilz und Bakterium hatte immerhin 62 Prozent der aus dem Pflanzenmaterial extrahierbaren Energie umgesetzt.
Stabile Gemeinschaft – trotz “Betrüger”
Und ein weiterer Vorteil: Die Gemeinschaft der beiden Mikroorganismen erwies sich als stabil. Keiner der beiden gewann dauerhaft die Oberhand und störte so die für die Umwandlung nötige Balance beider. Die Forscher führen dies auf die spezielle Art der Beziehung zwischen den beiden Partnern zurück: Sie bilden ein Team aus einem “Kooperateur” und einem “Betrüger”, wie es in der Spieltheorie heißt. Der Pilz ist dabei der Kooperative – er liefert den Zucker und teilt ihn mit dem Bakterium. Dieses wiederum verhält sich eigentlich eher unsozial. Es bedient sich beim Zucker, ohne dem Pilz dafür etwas zurück zu geben. Daher müssten die Bakterien eigentlich schnell die Oberhand gewinnen. Aber das verhindert der Pilz durch eine raffinierte Strategie: Er stellt die Zuckermoleküle nur direkt an seiner Zellwand bereit und stellt so sicher, dass er immer genügend davon abbekommt. Dadurch bleiben beide in einer Balance, die das gesamte System stabil macht, wie die Forscher erklären.
