Einer der Erfolge des Teams um Thomas Brück sind Hefen, die in ihrer Wachstumsphase Kohlenhydrate so umsetzen, dass daraus nicht normaler Alkohol entsteht, sondern energiereiche Öle. Dieses Kunststück vollbringt die Hefe Trichosporon oleaginosus, die aus einem Komposthaufen in Irland isoliert wurde. Diese unkonventionelle Hefe kann verschiedenste Kohlenhydrate in Biomasse und spezielle Fette umwandeln. Ihre Fette ähneln Olivenöl, da sie bis zu 40 Prozent Ölsäure enthalten.

Die Hefe Trichosporon oleaginosus ist nicht wählerisch, woher ihre Nährstoffe stammen. Sie bedient sich auch bei Abfällen von Mais, Krabben, Weizenkleie, Holzspänen oder Stroh und holt jedes verwertbare Kohlenhydrat daraus heraus. «Dass man die Hefe auf Abfallprodukte ansetzen kann, die ohnehin anfallen, macht die Produktion nachhaltig», sagt Projektmanager Daniel Garbe. Aus den Kohlenhydraten macht die Hefe in mehreren chemischen Stoffwechselprozessen Fett, das sie als Reserve für karge Zeiten in ihrer Zelle einlagert (analog zu den menschlichen «Fettpolstern»).

Stress führt zu mehr Fett

Normalerweise besteht eine Hefezelle aus rund 20 Prozent Fett. Unter Stressbedingungen lagert sie aber viel mehr Fett ein – bis zu 80 Prozent. Das machen sich die Wissenschaftler zunutze und setzen sie extra auf «Diät», indem sie ihr während des Wachstums Stickstoff und Phosphat entziehen. Darauf reagiert die Hefe, indem sie all ihre verbleibende Energie darauf verwendet, Fette als Notvorrat einzulagern. «Unter dem Mikroskop sieht man dann fast nur noch Fette und einige Zellstrukturen», erzählt Thomas Brück. An diesem Punkt stoppen die Forschenden den Stress. So fahren sie den höchsten Ertrag ein, weil die «hungrige» Hefe noch nicht angefangen hat, das eingelagerte Fett für ihr eigenes Weiterleben aufzubrauchen.

Unterschiedliche Fettsäuren

Aus Fetten kann man chemisch alles Mögliche machen. Eine der Forschungsgruppen der Synthetischen Biotechnologie tüftelt daher an unterschiedlichen «Fettsäureprofilen». Dazu verändert sie verschiedene Parameter und beobachtet, wie die Hefe darauf reagiert. Drei Beispiele: Wenn die Forschenden die Hefe mit verschiedenen Zuckern füttern, produziert die Hefe ein anderes Fettsäureprofil. Einen vergleichbaren Effekt auf die Fettsäureprofile kann man mit Temperaturänderungen oder dem Entzug von schwefelhaltigen Substanzen aus dem Nährmedium erzielen. Je nachdem produziert die anpassungsfähige Hefe ganz unterschiedliche Fettsäuren.

Dass das möglich ist, lässt sich wie folgt erklären: Die verschiedenen Fette und Öle sind chemisch gesehen miteinander «verwandt». Sie haben alle Glyzerin als «Kern», und um diesen herum sind jeweils drei verschiedene Fettsäuren mit einer unterschiedlichen Anzahl an Kohlenstoffatomen platziert. Biologisch produzierte Fette und Öle werden daher oft als Triglycerid bezeichnet. Öle, die als Nahrungsmittel verwendet werden, weisen zusätzlich viele Doppelbindungen auf. Sie werden als mehrfach ungesättigte Fettsäuren bezeichnet und sind, da sie antioxidativ wirken, sehr gesund. Je nach Profil lässt sich aus Fettsäuren also ein anderes Öl herstellen: zum Beispiel Öle für Nahrungsmittel (Palmöl-Ersatz, Fischöl-Derivat, Omega-3-Fettsäuren für Babynahrung) oder die ölige Basis für Biokraftstoffe, Kunststoffe und Kosmetika.

Ersatz für Palmöl

Viele pflanzliche Öle werden aus Pflanzen gewonnen, die unökologisch in riesigen Monokulturen wachsen und die Natur belasten oder gar zerstören. Für Palmöl zum Beispiel wird der wertvolle Regenwald gerodet, und gefährdete Tiere wie der Orang-Utan verlieren ihren Lebensraum. Palmöl wird mittlerweile zahlreichen Nahrungsmitteln und Kosmetika beigefügt. Die Nachfrage ist trotz unökologischer Produktion gross.

«Die Fettsäure-Zusammensetzung von Palmöl lässt sich leider nicht über natürliche Wege in anderen Organismen herstellen», umschreibt Gentechniker Norbert Mehlmer aus dem Team das Problem. Deshalb muss man sich bei der Suche nach einem Ersatz für Palmöl neuer Methoden bedienen, die fremde Gene in die Hefe einschleusen. Dafür nutzt man in einem ersten Schritt das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens als Türöffner für den Transfer der fremden Gene. In einem zweiten Schritt wird die Hefekultur dann mit einem Antibiotikum behandelt, so dass das Agrobacterium abstirbt. Zurück bleibt die Hefe mit den erwünschten genetischen Eigenschaften: Sie produziert nun die massgeschneiderten Fette und Öle – sicher, ganzjährig und von gleichbleibend hoher Qualität.

Die Industriepartner der Synthetischen Biotechnologie von Professor Thomas Brück sehen auch in zwei weiteren Fettsäureprofilen ein grosses Potenzial: Fischöl-Ersatz und Linolensäure, eine Omega-3-Fettsäure für Babynahrung. «In den nächsten fünf bis sieben Jahren könnten diese zwei Öle kommerziell hergestellt werden», sagt Thomas Brück.