Nylon aus dem Biotank

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Nylon aus dem Biotank
Im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe ist Anfang 2009 das Projekt „Biobasierte Polyamide
durch Fermentation “ angelaufen. Ziel ist, mit biotechnologischen Verfahren Grundstoffe
herzustellen, aus denen Kunststoffchemiker Polyamide mit neuen Eigenschaften entwickeln
wollen.
Damenstrumpfhosen, Drachenschnüre und Dübel haben eines gemeinsam: sie werden aus
Polyamiden hergestellt. Die technisch-nüchterne Vokabel „Polyamid“ steht nicht nur für
Erfolgsgeschichten wie der des Nylons, sondern auch für die Werkstoffträume vieler
Produktentwickler. Die Kunststoffe werden chemisch-synthetisch hergestellt und lassen sich
dabei so stark variieren, dass ihre Eigenschaften in viele Richtungen angepasst werden
können. Keine Überraschung also, dass Polyamide nicht nur zu Massenwaren wie Shirts und
Strumpfhosen verarbeitet werden, sondern auch für Zahnräder, Gleitlager, Gehäuse oder
Implantate ein wichtiger Werkstoff sind.
Neue Eigenschaften durch neue Basisstoffe
Mit solchen Laborbioreaktoren führen Wissenschaftler erste Tests durch, um daraus biotechnologische Verfahren im
Industriemaßstab zu entwickeln. © BIOPRO/Bächtle
Obwohl Kunststoffproduzenten schon fast 75 Jahre Erfahrung bei der Herstellung und
Verarbeitung von Polyamiden haben, stoßen sie immer mehr an Grenzen. Der Forschritt
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fordert Polyamide mit besseren Eigenschaften – doch die langen Molekülketten lassen sich
nicht beliebig biegen, ziehen, pressen oder erhitzen. Um das Anwendungsspektrum der
Polyamide zu erweitern, müssen Neuentwicklungen erarbeitet werden. Das Nylon der Zukunft
soll Werkstoffeigenschaften wie Schlagfestigkeit, Zugfestigkeit, Hitzebeständigkeit in einer Art
und Weise kombinieren, die es bislang nicht gibt. Die Polyamide von morgen sollen noch besser
verformbar und dennoch mechanisch stabil sein, sie sollen Umwelteinflüssen beharrlich
trotzen und sich trotzdem gut anfühlen.
Das Geheimnis der Eigenschaften eines Polyamids schlummert maßgeblich in den
Grundstoffen, aus denen ein Polyamid aufgebaut ist. Entweder kommen Aminosäuren zum
Einsatz oder die Entwickler greifen zu Mischungen aus Diaminen und Dicarbonsäuren. In
beiden Fällen finden sich in den Grundstoffen genau die funktionellen Gruppen, die für die
Polymerisierungsreaktion, also die chemische Synthese eines Polyamids, essenziell sind.
Im Clusterprojekt „Biobasierte Polyamide durch Fermentation“ widmen sich die Projektpartner
unter Federführung der BASF SE der biologischen Synthese von Diaminen. Unter ihnen gibt es
nämlich einige technisch interessante Varianten, die bislang nur unter hohem Aufwand
chemisch-synthetisch hergestellt werden können. Zu den hoffnungsvollen Kandidaten zählt
das Diaminopentan, über das bereits der Erfinder des Nylons, Wallace Carothers, Mitte der
1930er Jahre sagte, dass es sehr gute Eigenschaften besäße. Als Grundstoff für Polymere
konnte es sich bisher dennoch nicht durchsetzen – es war schlicht zu teuer.
Doch der Fortschritt verändert die Bedingungen. Diaminopentan hat wieder das Interesse der
Kunststoffindustrie geweckt, weil von einem chemisch eng verwandten Molekül inzwischen
biotechnologisch mehr als 100.000 Tonnen pro Jahr hergestellt werden. Die Rede ist von Lysin,
einer für Mensch und Tier lebenswichtigen Aminosäure. Die BASF SE und das Institut für
Bioverfahrenstechnik der TU Braunschweig widmen sich daher zwei zentralen Fragen: Wie kann
die biotechnologische Produktion von Diaminopentan über die Zwischenstufe Lysin
wirtschaftlich realisiert werden? Und: Welche neuen Polyamide lassen sich aus Diaminopentan
ableiten?
Schlüsselstelle Stoffwechsel
Aus Polyamiden werden unter anderem Textilfasern hergestellt. Das Bild zeigt das Rohmaterial. © BIOPRO/Bächtle
Sollen Mikroorganismen oder Zellen für die Produktion von Gundsubstanzen wie
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Diaminopentan effizient genutzt werden, kommt zwei Fachdisziplinen eine wichtige Rolle zu:
Systembiologie und Metabolic Engineering. Die Systembiologie analysiert Stoffwechselwege
und erstellt mathematische Modelle über Stoffströme und Stoffumsätze – sie liefert also die
stoffwechselphysiologische Visitenkarte einer Zelle. Grundlage für derartige Modelle sind Daten
über das Erbgut eines Organismus’ und die Mechanismen der Genregulation, aber auch
Kennzahlen über die Kinetik von Enzymreaktionen sowie Stoffkonzentrationen.
So wurde zum Beispiel der Lysinsyntheseweg des Mikroorganismus’ Corynebacterium
glutamicum in den vergangenen Jahren exakt analysiert. Zumindest für dieses Bakterium sind
die Stellschrauben des Lysinstoffwechsels heute bekannt. Der Übergang von der Glykolyse zum
daran paralell angekoppelten Pentosephosphatweg sowie die Produktion von Oxalacetat und
Aspartat sind die wichtigsten Schlüsselstellen.
Metabolic Engineering
Meistens sind die Stoffwechselwege, die die Natur angelegt hat, nicht ideal für industrielle
Produktionsverfahren. Es gibt Engstellen, Umwege, Nebenreaktionen, Sackgassen – Faktoren,
die die Ausbeute schmälern. Für das Leben unter natürlichen Bedingungen sind diese
Variationsmöglichkeiten wichtig, weil sie einem Organismus Spielräume schaffen. Im
Bioreaktor ist Flexibilität jedoch ein unerwünschter Luxus, es zählen allein hohe
Produktionsraten. Diese können nur dann erreicht werden, wenn der Stoffwechsel einer Zelle
an den entscheidenden Stellen modifiziert und auf das gewünschte Produkt fokussiert wird. Mit
dieser Aufgabe befasst sich das so genannte Metabolic Engineering. Es entwickelt den
Stoffwechsel nach Maß.
Welchen Einfluss das Metabolic Engineering auf das Produktionsverhalten eines Organismus’
haben kann, zeigen folgende zwei Beispiele. Bei Corynebacterium glutamicum kann die
Lysinbildung um 50 Prozent gesteigert werden, wenn das Gen für das Enzym
Pyruvatcarboxylase übermäßig exprimiert wird. Pyruvatcarboxylase setzt Pyruvat, ein
Endprodukt der Glykolyse, zu Oxalacetat um. Dieses wiederum ist eine wichtige Vorstufe für die
Lysinsynthese. Entfernt man hingegen das Pyruvatcarboxylase-Gen, bricht die Lysinsynthese
ein.
Des Weiteren fanden Wissenschaftler heraus, dass sie die Lysinproduktion um 40 Prozent
verbessern können, wenn sie den zweiten Reaktionsschritt in der Glykolyse blockieren. Sie
legten das Enzym Phosphohexose-Isomerase lahm und zwangen die Zelle, sich einer
Nebenstrecke des Zuckerstoffwechsels zu bedienen – dem Pentosephosphatweg. Mit dieser
Maßnahme verringerten sie Nebenreaktionen und steigerten zudem die Produktion an NADP –
ein Molekül, das für die Lysinsynthese unverzichtbar ist.
Lästige Anhängsel abspalten
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Strukturformel der Aminosäure L-Lysin © Wikipedia
Strukturformel von Diaminopentan © Wikipedia
Diese Produktionszuwächse an Lysin sind wertvoll, aber dennoch nur die halbe Miete auf dem
Weg zu neuen Polyamiden. Am Ende des biotechnologischen Prozesses soll schließlich nicht
Lysin, sondern Diaminopentan stehen. Lysin besitzt gegenüber Diaminopentan lediglich ein
zusätzliches Anhängsel aus Kohlenstoff und Sauerstoff – eine so genannte Carboxylgruppe. Mit
den richtigen Modifikationen im Stoffwechsel von Corynebacterium glutamicum lässt sich die
überzählige Carboxylgruppe bereits in der Zelle abspalten. Damit sind die Biotechnologen der
fermentativen Produktion von Diaminopentan bereits einen großen Schritt näher gekommen.
Vom Diaminopentan zum praxistauglichen Polyamid
Trotz der bereits erzielten Erfolge bleiben noch einige Fragen offen, die nun im Projekt
„Biobasierte Polyamide durch Fermentation“ bearbeitet werden. So soll die Ausbeute an
Diaminopentan gesteigert werden, indem die aktuell verfügbaren Methoden aus der
Systembiologie und dem Metabolic Engineering weiterentwickelt werden. Aus dem
biotechnologisch gewonnenen Diaminopentan sollen anschließend praxistaugliche Polyamide
produziert werden. Projektpartner aus der kunststoffverarbeitenden Industrie, wie zum Beispiel
die Fischerwerke GmbH, aber auch Endanwender wie die Robert Bosch GmbH oder die Daimler
AG werden mit den neuen Polyamiden umfangreiche Tests durchführen. Die Akteure
berücksichtigen somit alle Schritte der Wertschöpfungskette: von der biobasierten Herstellung
des Basisstoffs, über die Entwicklung neuer Rohpolymere, Verbundstoffe und
Zwischenprodukte bis hin zum Endprodukt in Fahrzeugen, Bauelementen oder Spielzeugen.
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Fachbeitrag
22.04.2009
chb
BIOPRO
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Der Fachbeitrag ist Teil folgender Dossiers
Wenn aus Pflanzen Plastik wird
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