In einer Welt, in der viele alltägliche Produkte wie Waschmittel, Kosmetika und Nahrungsmittel auf Fettsäuren aus Palm- und Kokosöl basieren, stehen diese Rohstoffe zunehmend in der Kritik. Ihre Gewinnung ist nicht nur umweltschädlich, sondern führt auch zur Zerstörung von Regenwäldern und gefährdet die Lebensräume zahlreicher Tierarten. Eine Gruppe von Forschern der Goethe-Universität Frankfurt, unter der Leitung von Professor Martin Grininger, hat einen vielversprechenden biotechnologischen Ansatz entwickelt, um diese Abhängigkeit von problematischen Pflanzenölen zu verringern.
Im Mittelpunkt dieser Forschung steht das Enzym Fettsäuresynthase (FAS), das in allen lebenden Organismen vorkommt und für die Synthese von Fettsäuren verantwortlich ist. Grininger beschreibt die FAS als eine Art molekularen Produktionsprozess, der über Millionen von Jahren optimiert wurde. Normalerweise produziert dieses Enzym Palmitinsäure, eine Fettsäure mit 16 Kohlenstoffatomen, die für Zellmembranen und Energiespeicher wichtig ist. Die Industrie hingegen benötigt häufig kürzere Fettsäuren mit 6 bis 14 Kohlenstoffatomen, die derzeit hauptsächlich aus Palm- und Kokosöl gewonnen werden.
Die Forscher haben durch gezielte Veränderungen am Enzym FAS die Möglichkeit geschaffen, maßgeschneiderte Fettsäuren jeder gewünschten Kettenlänge zu produzieren. Dies geschieht durch zwei spezifische Modifikationen des Enzyms, wodurch es möglich ist, kürzere Fettsäuren zu synthetisieren. In Kooperation mit einem Labor in China haben sie erfolgreich Hefezellen entwickelt, die diese veränderte FAS enthalten und in der Lage sind, die gewünschten Fettsäuren nachhaltig in einem Bioreaktor zu produzieren.
Ein bedeutender Vorteil dieser neuen Methode ist die präzise Kontrolle über die Kettenlängen der produzierten Fettsäuren. Grininger hebt hervor, dass sie theoretisch jede Kettenlänge herstellen können, was mit der traditionellen Gewinnung aus Pflanzenölen nicht möglich ist. Diese Fähigkeit könnte nicht nur die Umweltbelastung reduzieren, sondern auch neue Möglichkeiten für die industrielle Anwendung eröffnen.
Die Grundlage dieser Forschung basiert auf jahrelangen Studien zur FAS und ihrer Funktionsweise. Die Forscher haben herausgefunden, dass die Kettenlänge durch das Zusammenspiel zweier Untereinheiten des Enzyms geregelt wird. Das Team stellte sich die Frage, ob es möglich wäre, die Regulation der Kettenlänge durch gezielte Eingriffe in die Struktur des Enzyms zu verändern. Diese Idee wurde von Damian Ludig, einem Doktoranden im Team, aufgegriffen, der das Konzept des Proteinengineerings anwandte, um spezifische Aminosäuren auszutauschen und somit das Verhalten der FAS zu modifizieren.
Die Zusammenarbeit mit dem Dalian Institut für Chemische Physik in China, unter der Leitung von Professor Yongjin Zhou, führte schließlich zum Durchbruch. Gemeinsam entwickelten die Wissenschaftler Hefestämme, die in der Lage sind, Fettsäuren mit nur 12 Kohlenstoffatomen zu produzieren, anstelle der üblichen 16. Diese Entwicklung könnte maßgeblich dazu beitragen, die Abhängigkeit von Palmöl zu verringern und die Umweltbelastungen zu reduzieren.
Ein weiteres Projekt innerhalb des Forschungsteams befasste sich mit der Frage, ob die FAS für die Herstellung von weiteren chemischen Verbindungen genutzt werden kann. Felix Lehmann, ein weiterer Doktorand, untersuchte die Möglichkeit, durch Modifikationen der FAS auch Styrylpyrone zu synthetisieren, die als Vorläufer für potenziell angstlösende Arzneimittel von medizinischem Interesse gelten. Mit relativ wenigen Änderungen konnte das Team die Biosynthese dieser Verbindungen aus leicht verfügbaren Rohstoffen realisieren.
In den letzten Jahren hat sich das Labor der Goethe-Universität stark in Richtung Biokatalyse und biotechnologischer Anwendungen weiterentwickelt. Grininger betont, dass sie diesen Weg fortsetzen und im Rahmen des Exzellenzclusters SCALE maßgeschneiderte Biomembranen entwickeln werden. Diese Fortschritte könnten dazu beitragen, das Verständnis zentraler Zellstrukturen zu vertiefen und die Grundlage für künftige umweltfreundliche chemische Verfahren zu legen.
Ob diese innovative Technologie letztendlich die Probleme im Zusammenhang mit Palmöl lösen kann, hängt nun von der erfolgreichen Umsetzung in industriellen Maßstab ab. Die wissenschaftliche Basis ist gelegt, und das Team hat zahlreiche Ideen für zukünftige Entwicklungen.
