Lücken im Kraftwerk der Zukunft

Bakterien sind nicht grundsätzlich Krankheitserreger. Auf unserer Haut, im Mund, im Darm, sogar in der Lunge leben Bakterien, die für uns nicht nur harmlos, sondern sogar wichtig sind. Bakterien findet man auch überall außerhalb unseres Körpers. Eine Gruppe von Bakterien, die Cyanobakterien, haben eine ganz besondere Eigenschaft: sie betreiben Photosynthese. Sie können also wie Pflanzen Sonnenenergie und Kohlendioxid in Biomasse umwandeln. Die Photosynthese der Cyanobakterien ist extrem wichtig für den Sauerstoffhaushalt unseres Planeten. Cyanobakterien könnten in Zukunft helfen, die Energiekrise durch die Produktion von biologischen Kraftstoffen zu bewältigen. Mit unserem Forschungsprojekt wollen wir einen kleinen Teil dazu beitragen.

Prof. Sebastian Böcker, Lehrstuhl für Bioinformatik, FSU Jena
Prof. Manja Marz, Bioinformatik für Hochdurchsatzverfahren, FSU Jena

Die Algen, die gar keine sind

Photosynthese wandelt Wasser und Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff und Zucker um. (By Daniel Mayer (mav) – original imageVector version by Yerpo – Own work, GFDL)

Cyanobakterien zählen zu den ältesten Lebensformen überhaupt. Sie besiedeln unseren Planeten schon seit 3,5 Milliarden Jahren. Cyanobakterien unterscheiden sich stark von anderen Bakterien, insbesondere durch ihre Fähigkeit zur Photosynthese. Ihr Name ergibt sich aus ihrer blaugrünen Färbung, die durch den grünen Photosynthese-Farbstoff Chlorophyll und blaues Phycocyanin entsteht. Die Unterschiede zu anderen Bakterien sind so groß, dass man Cyanobakterien ursprünglich für Algen hielt und ihnen den Namen „Blaualgen“ gab. Algen sind jedoch Eukaryoten, das heißt sie besitzen einen Zellkern, der bei Cyanobakterien nicht vorhanden ist. Durch ihre Fähigkeit zur Photosynthese, haben Cyanobakterien einen sehr starken Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf: sie binden Kohlendioxid aus der Luft stabilisieren damit den Sauerstoffhaushalt unseres Planeten. Gleichzeitig produzieren sie dabei Biomasse, die wiederum zur Gewinnung von Energie genutzt werden kann.

Geht uns bald der Strom aus?

Dass wir, was den Verbrauch von Energie angeht, im Moment nicht aus den Vollen schöpfen können, dürfte mittlerweile jedem bekannt sein. Unser Problem ist, dass sich die fossilen Energiequellen, wie Erdöl und Erdgas, langsam dem Ende neigen. Gleichzeitig ist die Nutzung von Kernenergie, durch die damit verbundenen Gefahren, ein umstrittenes Thema. Deshalb forschen mehr und mehr Wissenschaftler aus unterschiedlichen Forschunsgebieten an erneuerbaren Energiequellen. Dazu zählen alle Energiequellen, die uns praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen (zum Beispiel Sonnenenergie und Windkraft) oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Dazu zählt auch die Bioenergie. Bioenergie wird aus Biomasse gewonnen, also durch das Verbrennen nachwachsender Rohstoffe. Der Anbau dieser Rohstoffe nimmt aber leider riesige Flächen in Anspruch — Flächen, die wir eigentlich für den Anbau von Nahrungsmitteln benötigen.

Die neue Generation der Biokraftstoffe

Grüner Teppich aus Cyanobakterien in einem Baggerweiher. (photo attribution: Christian Fischer; distributed under CC-BY-SA-3.0)

Hier kommt nun die einzigartige Stellung der Cyanobakterien ins Spiel: sie erzeugen (genau wie Pflanzen) Biomasse durch Photosynthese UND sie leben fast überall, wo Licht vorhanden ist: im Süßwasser, in den Ozeanen, an Land und häufig auch unter extremsten Bedingungen in heißen Quellen oder Salzseen. Manche Seen oder Küsten werden teilweise regelrecht von blaugrünen Teppichen so groß wie Deutschland überzogen. Cyanobakterien leben also in Gebieten, die wir gar nicht für den Anbau von Nahrungsmitteln nutzen können. Noch dazu betreiben Cyanobakterien schneller Photosynthese als klassische Energiepflanzen wie Mais oder Raps. Warum also nicht diese besonderen Eigenschaften der Cyanobakterien nutzen um eine neue Art von Biokraftstoff zu erzeugen und gleichzeitig den CO2-Anteil in der Erdatmosphäre zu senken?

Metabolic Engineering

Der Stoffwechsel der Cyanobaktieren ist viel schneller als der von Pflanzen. Um Cyanobakterien wirklich effizient als Energiequelle einsetzen zu können, müssen wir deren Stoffwechsel aber noch weiter optimieren. Dafür wollen wir die richtigen „Schrauben“ finden, an denen wir drehen müssen, um die Produktion von Biomasse weiter zu erhöhen. Um diese Schrauben zu finden wollen wir zunächst einmal den Stoffwechsel der Cyanobakterien im Detail verstehen.

Die innere Uhr

Cyanobakterien haben noch eine weitere Eigenschaft, die sie von anderen Bakterien unterscheidet: da sie bei der Photosynthese auf Sonnenlicht angewiesen sind, brauchen sie eine innere Uhr, die sie auf den Tag/Nacht-Rhythmus einstellt. Auch wir Menschen haben einen solchen inneren Taktgeber. Er hilft uns, unsere Aktivitäten an die mit dem Tag-/Nacht-Zyklus verbundenen Veränderungen der Umgebung anzupassen. Aber welche Rolle spielt die innere Uhr für Cyanobakterien? Wie ändert sich deren Stoffwechsel bei Tag und bei Nacht? Sind Cyanobakterien, die eine funktionierende innere Uhr besitzen, anderen Cyanobakterien ohne innere Uhr überlegen?

Lücken im Kraftwerk der Zukunft

Synechocystis sp. PCC6803 ist eine Cyanobakterien-Art, die man als Modellorganismus untersucht. Das Genom dieses Bakteriums ist bereits vollständig sequenziert und es gibt Transkriptomdaten unter verschiedenen Umweltbedingungen, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid-Mangel oder Starklicht. Das Transkriptom (also die Summe aller zu einem bestimmten Zeitpunkt abgelesenen Gene) beeinflusst den Stoffwechsel und somit auch die Energieproduktion der Cyanobakterien. Die Frage ist, welche Gene sind nur tagsüber angeschaltet und nachts unwichtig? Und ebenso: Welche Gene spielen nur in der Nacht eine Rolle und sind am Tag „stumm“? Wie sich Transkriptom und Stoffwechsel (Metabolom) dabei gegenseitig beeinflussen, ist bisher kaum beschrieben. Viele der Moleküle und Reaktionswege des Stoffwechsels sind noch nicht identifiziert. In unserem Wissen über das Kraftwerks der Zukunft klaffen noch immer große Lücken.

Multiomics — Die Lücken schließen

Um zu untersuchen, wie sich Transkriptom und Metabolom der Cyanobakterien gegenseitig beeinflussen, arbeite ich mit den beiden Arbeitsgruppen zu denen ich gehöre, an einem gemeinsamen Projekt. In der Arbeitsgruppe von Manja Marz, als Experten auf transkriptomischer Seite, wollen wir Gene, die in Zusammenhang mit der inneren Uhr stehen, finden und näher beschreiben. Dafür untersuchen wir das Transkriptom zu verschiedenen Zeitpunkten des Tag/Nacht-Zykluses. Damit können wir vergleichen, zu welchem Zeitpunkt Gene an- oder abgeschaltet werden. In der Arbeitsgruppe von Sebastian Böcker, als Experten auf metabolomischer Seite, wollen wir die Lücken im Stoffwechselnetzwerk schließen. Dafür müssen wir die unbekannten Moleküle und Reaktionswege identifizieren, besonders im Hinblick auf die Umstrukturierung des Stoffwechsels im Tag/Nacht-Rhythmus.

Indem wir gleichzeitig Tarnskriptom und Metabolom untersuchen, wollen wir nicht nur herausfinden, wie diese sich unter den verschiedenen Bedingungen des Tag/Nacht-Zykluses verändern, sondern auch wie sie sich dabei gegenseitig beeinflussen.

Indem wir gleichzeitig Transkriptom und Metabolom untersuchen, können wir Lücken in einer Datenquelle durch die andere ausgleichen und herausfinden, welche Gene bestimmte Stoffwechselwege regulieren. Allerdings befindet sich die Entwicklung bioinformatischer Methoden für eine kombinierte Analyse von Transkriptom und Metabolom erst in ihren Anfängen.

Hypothesen am Computer — Beweise im Labor

Auf experimenteller Seite werden wir durch die Arbeitsgruppen von Annegret Wilde in Freiburg unterstützt, denn die durch die bioinformatische Analyse erzeugten Ergebnisse sollen am Ende auch biologisch richtig interpretiert werden. Die am Computer gewonnenen Hypothesen sollen unter anderem durch Gen-Knockout (Ausschalten eines Gens) überprüft werden. Durch gentechnische Veränderung der Gene, die bestimmte Stoffwechselwege regulieren, hoffen wir den Stoffwechsel der Cyanobakterien irgendwann so optimieren zu können, dass diese effizient zur Gewinnung von Biokraftstoffen eingesetzt werden können.

Publikationen:

• H. Knoop, M. Gründel, Y. Zilliges, R. Lehmann, S. Hoffmann, W. Lockau and R. Steuer.
  Flux balance analysis of cyanobacterial metabolism: the metabolic network of Synechocystis sp. PCC 6803.
  PLoS Comput Biol, 9(6):e1003081, 2013.