Die natürliche Chemiefabrik

Halbiert man einen Apfel, verfärben sich die Schnittflächen in kurzer Zeit und werden braun. Diese sogenannte enzymatische Bräunung ist ein Abwehrmechanismus der Pflanze gegen pathogene, also potenziell krank machende Mikroorganismen. Enzyme sind Proteine und ermöglichen oder beschleunigen Veränderungen in den Zellen von Lebewesen, ohne sich dabei zu verbrauchen. Der Mensch nutzt Enzyme, unter anderem um Bier zu brauen und um Wäsche zu waschen. Seit den späten 1960er-Jahren enthalten Waschmittel Amylasen, um Stärke abzubauen, Proteasen gegen Blut, und Lipasen, die Fettflecken an den Kragen gehen. Enzyme lassen sich zwar aus Früchten oder Gemüsen gewinnen: Die Meerrettich-Peroxidase beispielsweise wird in der Medizin für diagnostische Tests benötigt, Papain aus der Papaya hemmt Entzündungen, macht Fleisch zart und verhindert, dass Wolle verfilzt. Doch wir brauchen viel mehr Enzyme, als Papaya und Meerrettich hergeben.

Seit 1960 helfen Bakterien dabei, Enzyme in den Mengen herzustellen, wie sie die Industrie benötigt. Aber auch in diesem Bereich ist die Forschung noch nicht abgeschlossen. Das Hamburger Institut für Technische Mikrobiologie forscht an Bakterien von der tiefsten Stelle der Weltmeere, dem 11’000 Meter tiefen Marianengraben im westlichen Pazifik. Die aus diesen Bakterien isolierten Enzyme erbringen bei 40 Grad die gleiche Waschleistung, die herkömmliche Enzyme erst bei 60 Grad erreichen – so liessen sich Millionen Tonnen Treibhausgase einsparen.

Bakterien fressen Kunststoff

Einem alten Hund kann man keine neuen Tricks beibringen – einem alten Bakterium offenbar schon. Shosuke Yoshida vom Kyoto Institute of Technology entnahm nahe einer Recycling-Anlage für PET Proben von Böden und Abwasser. Dort traf er auf Ideonella sakaiensis, ein Bakterium, das dank zwei bisher unbekannten Enzymen Kunststoff abbaut. Kommt Ideonella sakaiensis mit PET in Kontakt, steigert es die Produktion der Proteine, was darauf hindeutet, dass diese Enzyme erst in den etwa 70 Jahren seit Nutzung der PET-Kunststoffe entstanden sind. Hat uns da die Natur also die Lösung für unsere Abfallprobleme geliefert? Noch ist es nicht soweit, aber weitere Forschung wird helfen, die Funktionsweise der sogenannten Biodegradation besser zu verstehen.

Bakterien bauen aber nicht nur ab, sondern auch wieder auf: Mikrobiologe Henk Jonkers von der niederländischen Universität Delft hat einen Biobeton erfunden, der sich selbst repariert – dank Bakterien, die zusammen mit ihrem Futter dem sonst herkömmlichen Betongemisch beigefügt werden. Die Bakterien sind hitze- und kälteresistent und können im Beton bis zu 200 Jahre schlafen. Dringt aber durch Risse Wasser ein, wachen sie auf, beginnen zu fressen, und scheiden als Stoffwechselprodukt Kalziumcarbonat aus, das die Risse wieder auffüllt. Jonkers Erfindung soll in fünf bis zehn Jahren Marktreife erlangen.

Die Extremisten

Pyrolobus fumarii und Thermus aquaticus mögens heiss – nicht mal Temperaturen über 100 Grad können ihnen etwas anhaben. Deinococcus radiodurans überlebt Strahlung, die jedes andere Lebewesen in Sekunden zerstört, unbeschadet. Diese erstaunlichen Eigenschaften lassen Forschende Hoffnung auf Lösungen für Klimaerwärmung oder Energieknappheit schöpfen. So sollen Methan- oder kohlendioxidfressende Bakterien dereinst den Treibhauseffekt dämpfen und ihre hitzeliebenden Kollegen könnten dank Fermentation von Grünabfällen Biogas herstellen. Daran arbeiten Annegret Wilde und Wolfgang Hess vom Institut für Biologie an der Universität Freiburg im Breisgau. Sie erforschen Cyanobakterien, früher auch Blaualgen genannt, und sind zuversichtlich, bald in Bioreaktoren in industriellem Massstab aus Licht und CO₂ betriebsfertigen Biotreibstoff herstellen zu können. Ausserdem sollen Nebenprodukte Grundstoffe für Bioplastik liefern. Dagegen ist Masaru Tomita, Bioinformatiker der japanischen Keio Universität, vom strahlenresistenten Deinococcus angetan: «In Japan produziert man damit auch ein Lebensmittel, genannt Nattō, gegorene Sojabohnen. Ich mag Nattō.»

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Gegorene Sojabohnen, genannt Nattō. Die Bohnen werden erst gekocht und danach mithilfe eines Bakteriums fermentiert.

Tomita und sein Team haben das von Albert Einstein entdeckte Naturgesetz E=mc2 in einen genetischen Code übersetzt und im Erbgut eines Bakteriums verewigt. Ziel ist es, einen sicheren Datenspeicher zu schaffen. Theoretisch liesse sich ein Megabyte Informationen auf einem einzelnen Bakterium speichern und für die Nachwelt erhalten, weil Deinococcus radiodurans dermassen widerstandsfähig ist und sich die Information mit ihm quasi von selbst vervielfältigt. Das Einbringen und Auslesen der Daten ist aber noch sehr aufwendig. Ungeklärt ist auch, ob die natürlichen Mutationsprozesse der Bakterien die Daten verändern. Auf das erste lebende Laufwerk werden wir also noch ein wenig warten müssen.