Extremophile Mikroorganismen

Vom Ursprung des Lebens zu moderner Technologie

Lebensraum extremophiler Mikroorganismen
In den vergangenen Jahren gelang es, eine Vielzahl von Mikroorganismen aus extremen Biotopen wie z.B. kontinentalen und submarinen Vulkangebieten, Black Smokern in der Tiefsee, heißen Solfatarenfeldern, alkalischen Seen, Salzseen, kalten Regionen oder extrem sauren Habitaten zu isolieren. Entsprechend ihres natürlichen Lebensraumes sind diese Mikroorganismen in der Lage, bei Temperaturen bis zu 110 °C, bei pH Werten von 0.5 bis 11 oder bei Salzkonzentrationen von 30 % optimal zu wachsen. Phylogenetisch gehören viele dieser Organismen den Archaea an, der dritten Domäne neben den Bakterien und Eukarya. Bis heute sind etwa 40 Arten hyperthermophiler Archaea und Bakterien bekannt.

Vorteile erhöhter Temperatur
Neben dem phylogenetischen Aspekt ist das biotechnologische Potential extremophiler Mikroorganismen zu nennen. Im Vergleich zu mesophilen Organismen sind die essentiellen Zellkomponenten hyperthermophiler Organismen wie z.B. Proteine und Nukleinsäuren extrem thermostabil und oft resistent gegenüber Detergenzien und organischen Lösungsmitteln. Diese außergewöhnlichen charakteristischen Eigenschaften machen Enzyme aus Thermophilen für biotechnologische Anwendungen interessant. Gegenüber konventionellen, chemischen Verfahren bieten sie Vorteile, z.B. bezüglich einer höheren spezifischen Biokatalyse und einer stereospezifischen Umsetzung. Die Durchführung von Prozessen bei  Temperaturen über 60 °C führt zur Verbesserung der Transportparameter (Abnahme der Viskosität und Zunahme der Diffusionsgeschwindigkeit) und Minimierung der Kontaminationsgefahr.

Produktion hitzestabiler Biokatalysatoren mit Hilfe extremophiler Mikroorganismen
Eine große Anzahl extremthermophiler (65 - 85 °C) und hyperthermophiler (> 85 °C) Archaea und Bakterien ist in der Lage, Kohlenhydrate, Pektin, Cellulose, Fettsäuren, Lipide, Aminosäuren und Proteine als Energie- und Kohlenstoffquelle zu nutzen. Zur Verstoffwechslung dieser Substrate vermögen die Zellen extrem hitzestabile, extrazelluläre bzw. intrazelluläre Enzyme (Biokatalysatoren) zu synthetisieren. Eine Reihe von hitzestabilen Enzymen aus extremophilen Mikroorganismen ist in den letzten fünf Jahren angereichert und näher untersucht worden. So konnten hitzestabile Enzyme wie z.B. Amylasen, Xylanasen und Proteasen gereinigt werden. Diese Enzyme wurden im Hinblick auf ihre Funktion, Substratspezifität und dreidimensionale Struktur untersucht. Einige dieser Enzyme weisen katalytische Aktivitäten bei Temperaturen bis zu 130 °C und hohem Druck auf.

Zu den industriell interessanten Enzymen gehören unter anderem Proteasen. Bisher konnten fünf thermostabile Proteasen archaeellen Ursprungs charakterisiert werden. Ihre Temperaturoptima liegen zwischen 70 und 95 °C bei pH Werten im neutralen bis alkalischen Bereich. Weitere hitzestabile Proteasen wurden in extremthermophilen Bakterien der Ordnung Thermotogales nachgewiesen. Die Enzyme sind bei Temperaturen zwischen 50 und 110 °C und pH Werten zwischen 4 und 12 aktiv. Solche Proteasen finden Anwendung als Waschmittelzusatz und in Reinigungsmitteln. Ein weiterer proteaseproduzierender Mikroorganismus ist das extremthermophile Bakterium Fervidobacterium pennavorans (Lat. abl. penna: in der Feder, vorans : fressend), welches aus Quellproben der Azoreninsel San Miguel isoliert wurde. Seine Keratinase ist in der Lage, Federn innerhalb von 72 h bei 70 °C vollständig abzubauen. Dabei entstehen hochwertige Aminosäuren und Peptide, die in der pharmazeutischen Industrie verwendet werden können.

Ein weiteres extremthermophiles Bakterium, dessen xylanolytische Enzyme (Xylan ist ein Bestandteil des Holzes) charakterisiert wurden, ist Thermotoga thermarum. Die Xylanase von Pyrodictium abyssi, einem aus der Tiefsee isolierten Archaeon, hat ihr Temperaturoptimum sogar bei 110 °C. Anwendung finden diese Enzyme bei der Tierfutterherstellung und Papierbleiche.

DNA Polymerasen sind Enzyme, die bei der Vervielfältigung des genetischen Materials (DNA) eine entscheidende Rolle spielen. In den letzten Jahren wurde eine Anzahl thermostabiler DNA Polymerasen charakterisiert. Aus Thermococcus aggregans wurde ein solches Enzym isoliert, welches beim Ablesen der DNA eine besonders geringe Fehlerrate aufweist. Seit einigen Jahren werden thermostabile DNA Polymerasen bei der Polymerase Kettenreaktion, kurz PCR, eingesetzt. Mit dieser Methode können winzige Mengen DNA vervielfältigt werden. Um die DNA jedoch ablesen zu können, muß sie als Einzelstrang vorliegen, was durch Erhitzen erreicht wird. Der Vorteil thermostabiler DNA Polymerasen liegt darin, daß sie unter dem Einfluß hoher Temperaturen nicht inaktiviert werden, sondern sogar ihre optimale Aktivität entfalten können. Die PCR-Methode ist aus der biologischen und medizinischen Forschung und Anwendung nicht mehr wegzudenken. Durch fortschrittliche molekularbiologische Techniken ist es möglich, Gene archaeeller Enzyme in mesophilen Produktionsstämmen zu klonieren und zu exprimieren. Auf diese Weise können die archaeellen Enzyme in großen Mengen produziert und für neue industrielle Verfahren eingesetzt werden.
 

Einsatz thermostabiler Enzyme und Mikroorganismen in der Bio- und Umwelttechnik

Stärkeindustrie
Mit der biotechnologischen Produktion stärkeabbauender Enzyme wurden enzymatische Verfahren zur Produktion von Glucose- und Fructosesirup entwickelt, welche in der Lebensmittelindustrie große Bedeutung besitzen. Am weitesten verbreitet ist ein mehrstufiger Prozeß bei verschiedenen Temperaturen und
pH Werten. Da bei der konventionellen Prozeßführung und anschließenden Reinigung der Produkte hohe Kosten und beträchtliche Umweltbelastungen entstehen, ist in den letzten Jahren verstärkt an einer Vereinfachung des bestehenden Verfahrens gearbeitet worden. Das Auffinden von neuen hitzestabilen, stärkeabbauenden Enzymen eröffnet die Möglichkeit, eine Verzuckerung ohne Änderung des pH-Wertes bei hohen Temperaturen in einem Schritt durchzuführen. In Gegenwart thermostabilerer Enzyme würde die Ausbeute an Zuckersirup deutlich erhöht und die Inkubationszeit verkürzt. Somit ist es nun möglich, die Produktion von Glucose bzw. Fructose mit Hilfe thermoaktiver, stärkeabbauender Enzyme, z.B. Amylase (aktiv zwischen 80 und 110 °C), aus den thermophilen Mikroorganismen Pyrococcus woesei und Fervidobacterium pennavorans umweltschonend und kostengünstig durchzuführen.

Textil-, Zellstoff- und Papierindustrie
Eine weitere mögliche Anwendung von Enzymen aus extremophilen Mikroorganismen ist die Herstellung hochwertiger Wollfasern. Chemische oder physikalische Behandlungen von Wolle haben oft einen negativen Effekt auf das Griffverhalten der Wolle. Die Gründe für den Einsatz von Enzymen aus Extremophilen in der Textilindustrie sind ihre hohe Stabilität und ein vermindertes Kontaminationsrisiko. Es ist vorstellbar, daß enzymatische Prozesse mit thermostabilen Enzymen im Vergleich zu konventionellen Vorbehandlungsmethoden für Wolle sowohl in ökologischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht Vorteile bieten werden. Da die Wolle vorwiegend aus Proteinen und Lipiden besteht, kommen zur Behandlung von Wolle mit Enzymen Proteasen und Lipasen in Betracht.

In der Zellstoff- und Papierindustrie werden ebenfalls überwiegend mechanische und chemische Verfahren angewendet. Es wird angestrebt, Biokatalysatoren mit höheren pH- oder Temperaturoptima verfügbar zu machen, um z.B. eine Kühlung oder Ansäuerung des Zellstoffes nach Verlassen des Kochers zu vermeiden. Der Einsatz von Enzymen (wie z.B. Xylanasen, Cellulasen, Proteasen, Pectinasen und Lipasen) aus extremophilen Mikroorganismen bei der Altpapieraufbereitung am Beispiel der enzymatischen Papierbleichung bietet zudem den Vorteil, mit erhöhten Temperaturen eine bessere Löslichkeit und verminderte
Viskosität der organischen Substanzen zu bewirken und somit deren Bioverfügbarkeit zu erhöhen.

Schadstoffabbau
Umweltschadstoffe, wie z.B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Alkane (C20-C40), sind meist nur schwer wasserlöslich. Durch Erhöhung der Temperatur kann eine bessere Löslichkeit und damit Bioverfügbarkeit erzielt werden. Im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Mikrobiologen an der TUHH wurde eine Reihe von extremthermophilen Mikroorganismen aus isländischen Quellproben isoliert, die die Fähigkeit besitzen, die Umweltschadstoffe bei Temperaturen zwischen 55 und 75 °C abzubauen. Es konnte sogar ein kometabolischer Abbau von Pyren nachgewiesen werden. Weitere Experimente zur Reinigung ölkontaminierter Böden zeigten, daß durch die eingesetzte thermophile Mischkultur eine weitgehende Reduktion der schwerlöslichen Schadstoffe erreicht werden konnte. Damit wurde zum ersten Mal deutlich, daß nicht nur kohlenhydrat- bzw. proteinabbauende Mikroorganismen bei hohen Temperaturen ihre optimalen Wachstumsbedingungen finden, sondern auch Organismen, die fähig sind, mit umweltproblematischen Stoffen als alleiniger Kohlenstoffquelle zu wachsen.

Prof. Dr. Garabed Antranikian Biotechnologie/Technische Mikrobiologie