Wie ein Vanillegeschmack mit Bakterien die Umwelt retten könnte

Viele Nachhaltigkeitsaktivist*innen (und wahrscheinlich auch einige Alchemist*innen) träumen nur davon – Joanna Sadler setzt es in ihrem Labor an der Universität Edinburgh in die Wirklichkeit um: Die Expertin für synthetische Biologie und Biotechnologie verwandelt Plastikabfall in wertvolles Vanillin. Und zwar relativ nachhaltig mit der Hilfe von Mikroben, und zwar gentechnisch veränderten E.- coli-Bakterien.

Eines kalten, nassen Morgens auf dem Weg zur Arbeit hebt Joanna Sadler eine 2-Liter-Sainsbury’s Plastikflasche von einer Edinburgher Straße auf. Achtlos hingeworfener Plastikmüll? Nicht für Sadler, die an diesem Tag eine Eingebung hat: Was, wenn das der Rohstoff für ein neues Plastikrecyclingverfahren sein könnte, an dem sie schon länger herumdenkt? Flaschen wie diese bestehen aus PET (einer Plastikart namens Polyethylenterephthalat) und lassen sich, so Sadlers Vermutung, in Vanillin umwandeln. Die Natur hat bereits andere Helfer im Kampf gegen Kunststoffe bereitgestellt wie etwa Pilze, Würmer oder ein Bakterium namens Ideonella Sakaiensis. Inspiriert wurde die promovierte Chemikerin Sadler von einer japanische Studie über dieses Bakterium, das ebenfalls in der Lage ist, PET-Plastik zu verzehren.

Waste to Value

Sadler suchte lange Zeit nach einer Lösung für den nicht nachhaltigen Lebenszyklus von Plastik, da dieses nach einmaligem Gebrauch bis zu 95 Prozent seines Gebrauchswertes verliert. „Ich wollte dies anhand von ‚echtem‘ Plastikabfall demonstrieren, um den potenziellen Wert zu zeigen, der in diesen Materialien steckt“, sagte die Wissenschaftlerin. Mit Hilfe der Biotechnologie werden etwa 79 Prozent dieser Flasche in ein sehr begehrtes Molekül umgewandelt – Vanillin.

Plastik ist ein Polymer, das hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, mit Anteilen aus Sauerstoff und Stickstoff. Polymere sind große Moleküle (Makromoleküle), die sich aus wiederholenden Einheiten zusammensetzen. Die Chemikerin hat sich für PET-Plastik entschieden, weil es aufgrund der Molekülstruktur für diese Art von Chemie sehr gut geignet ist. Es ist darauf ausgelegt, solche Moleküle zu bilden, die dem Vanillin ähnlich sind.

Vanillin

„Pflanzen aus heissen Ländern : Die Vanille“. Quelle: pictura.bbf.dipf.de

Der kleine Molekülring aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff namens Vanillin verleiht Vanillepudding oder -eis den bekannten süßen Geruch und den kraftvollen Geschmack. Er ist jedoch nicht nur in Lebensmitteln zu finden. Die Industrie hat Wege gefunden, ihn in Parfüms, Seifen und Shampoos, Kerzen, Cremes, Lotionen, Lufterfrischern und vielem mehr zu verwenden.

Seit die Vanilleschote im 16. Jahrhundert von den Kolonisatoren nach Europa mitgebracht wurde, ist die Beliebtheit der Vanille so stark gestiegen, dass die Erde heute nicht mehr genug Vanilleschoten für uns bereitstellen kann. Die jährliche weltweite Nachfrage beträgt etwa das 1,9-Fache des Gewichts des Brandenburger Tors und wird bis 2025 voraussichtlich das 2,8-Fache erreichen.

Nur ungefähr ein Prozent des gesamten Vanillins stammt aus echten Vanilleschoten. Der Rest wird im Labor hergestellt. Aber die Produktion von synthetischem Vanillin ist keineswegs nachhaltig, da für seine Herstellung fossile Brennstoffe, also Petrochemikalien wie Öl oder Gas benötigt werden.

Verfahren

Die bestehenden Recyclingverfahren zerlegen PET-Kunststoff in seine beiden Bestandteile, von denen einer die so genannte Terephthalsäure ist. Mit Hilfe ihrer Kenntnisse über Enzyme erkannte Sadler, dass sie diese Säure in ein nützliches Material umwandeln kann. Inspiriert von Ideonella Sakaiensis wählte sie E. coli als Wirtsbakterium. Dieses Bakterium ist normalerweise ein hilfreicher Darmbewohner, obwohl einige Arten Durchfall und Krankheiten verursachen können. Es wurde bereits früher gentechnisch verändert und in der Forschung eingesetzt, um Glukose (eine Zuckerart) in Vanillin umzuwandeln.

Der nächste Schritt bestand darin, den E.-coli-Bakterien beizubringen, die Arten von Enzymen zu produzieren, die für die Umwandlung von Terephthalsäure in Vanillin erforderlich sind. Dafür pflanzte Sadler den Bakterien zirkuläre DNA-Stücke ein, die quasi eine Anleitung für die Chemie sind, die die Bakterien ausführen sollen. In nur vier Schritten gelang es Sadler, Kunststoff als Rohstoff für Mikroben zu verwenden und ihn in etwas Wertvolleres und industriell Verwertbares umzuwandeln. So wurde aus Plastikabfall wertvolles Vanillin.

Das PET-Molekül. © Sara Karanušić

Wie grün ist dieser Prozess wirklich?

Sadler denkt, dass dieser neue chemische Prozess „ziemlich grün“ ist. Das Verfahren, das sie und ihr Kollege Stephen Wallace umgesetzt haben, sei im Vergleich zu anderen Methoden zur Herstellung von synthetischem Vanillin wesentlich nachhaltiger. Es verwendet einen erneuerbaren, biologisch abbaubaren und ungiftigen Katalysator. Ein solcher Katalysator setzt die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herab, ohne dabei selbst Teil der Reaktion zu sein. Auch kommt das Verfahren ohne giftige Reagenzien aus und benötigt nur Körpertemperatur (37 Grad), was bedeutet, dass es sich um ein sehr energiearmes Verfahren handelt.

Sie räumt jedoch ein, dass sie sich noch in einem sehr frühen Stadium befinden und das Verfahren noch optimieren müssen. Der Plan für die Zukunft ist auf jeden Fall eine vollständige Lebenszyklusanalyse. Sie würde uns die Zahlen zur Verfügung stellen, anhand derer wir genau verstehen können, wie viel nachhaltiger und umweltfreundlicher diese Technologie im Vergleich zu den bestehenden ist.

Was können wir damit anfangen?

Die Technologie könnte eine wertvolle Taktik im Kampf gegen die Plastikverschmutzung sein. Die größere Herausforderung besteht jedoch darin, andere Arten von Plastik aufzugreifen. Arten von Kunststoff wie Polyethylen oder Polystyren sind immer noch da. Und sie sind nicht so gut dafür geeignet, in andere Moleküle umgewandelt zu werden.

Die Forschungsergebnisse von Joanna Sadler sind aber recht ermutigend. Obwohl Plastik einen ziemlich schlechten Ruf hat, haben wir jetzt einen Grund, unsere Perspektive zu ändern. Obwohl wir Plastik als ein Abfallprodukt betrachten, dürfen wir nach Sadlers Recherche unsere Vorstellung ändern und die Idee einführen, wo Plastik eine Ressource ist.

Titelbild: © Jocelyn Morales. Quelle: Unsplash.

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