5.2 Wie machen wir uns Extremophile bereits zunutze?


Süße Gummibärchen

Werfen wir mal einen Blick auf die Zutatenliste von Leckereien wie süßen Getränken, Süßigkeiten, Backwaren und Cornflakes. Hier können wir häufig neben normalen Haushaltszucker (Saccharose) auch Begriffe
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wie Glukosesirup, Fruktosesirup und Glukose-Fruktose-Sirup finden. Diese Sirupe verleihen den Produkten einen süßen Geschmack und können günstig produziert werden. Da die Herstellung bei erhöhten Temperaturen stattfindet, werden Enzyme aus thermophilen Mikroorganismen verwendet! Diese thermostabilen Amylasen spalten Mais-, Kartoffel- oder Weizenstärke in ihre Grundbausteine. Es entsteht süß schmeckende Glukose. Diese kann dann in einem weiteren Schritt auch zur noch süßeren Fruktose umgewandelt werden.

Den Tätern auf der Spur

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Bei der Aufklärung von Verbrechen werden heutzutage oft DNA-Spuren am Tatort gesichert. Das können Haare, Hautschuppen, Speichel, Blut oder Sperma sein. Schon kleinste Mengen reichen für die Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks. Hierfür benötigen wir Enzyme aus extremophilen Mikroorganismen! Das benötigte Enzym ist eine thermostabile Polymerase, die die DNA vervielfältigen kann. Dabei werden ganz bestimmte Teilstücke der DNA, die sich zwischen Menschen häufig unterschieden, vielfach kopiert. Die Teilstücke werden dann mittels Agarose-Gelelektrophorese der Größe nach aufgetrennt, wobei ein spezifisches Bandenmuster entsteht. Durch Vergleich mit Bandenmustern von potentiellen Tätern oder einer Datenbank können wir so Verbrecher überführen!

Sauber und rein

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Auch im Waschmittel werden zum Entfernen von Schmutz Enzyme aus extremophilen Mikroorganismen eingesetzt! Durch das Waschmittel wird in der Waschmaschine ein leicht alkalischer pH erzeugt. Daher werden häufig Enzyme aus alkaliphilen Mikroorganismen verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen Verschmutzungen werden dem Waschmittel verschiedene Enzyme zugesetzt. Für die Blut- und Eiweißentfernung benötigt man zum Beispiel sogenannte Proteasen. Diese Proteasen sind in der Lage, die im Stoff festgesetzten Eiweißnetzwerke in kleine Bruchstücke zu spalten. Dadurch können sie aus dem Gewebe herausgelöst werden - und der Fleck ist weg!

Von Mineralien und Gülle

Enzyme aus Extremophilen werden auch in der Futtermittelindustrie eingesetzt. Mais und Weizen werden zum Beispiel oft an Schweine oder Hühner verfüttert. In den Körnern dieser Pflanzen ist viel Phytat enthalten, welches die Tiere allerdings nicht verdauen können.

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Phytat besteht aus einem Inositol, einem cyclischen Alkohol, mit sechs gebundenen Phosphateinheiten. Die Phosphate binden Mineralien wie zum Beispiel Calcium oder Zink. Da Schweine und Hühner das Phytat im Verdauungstrakt nicht spalten können, nehmen sie das Phosphat also nicht auf. Ihnen fehlen die Enzyme hierfür, die Phytasen. Da das Phytat Mineralien komplexiert (d.h. an sich binden kann), werden dem Futtermittel häufig Mineralien und auch Phospat zugegeben, um einer Mangelernährung vorzubeugen. Vor allem die Gülle der Schweine wird in der Landwirtschaft gerne als Dünger verwendet. Das nicht-verdaute Phytat wird also wieder ausgeschieden und gelangt mit der Gülle auf die Felder. Einige Bodenorganismen sind in der Lage Phytat zu spalten. Somit wird erst im Boden Phosphat frei und kann ins Wasser gelangen, was zu einer Eutrophierung (Überdüngung) von Gewässern führen kann.

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Wenn dem Futtermittel jedoch Phytasen zugegeben werden, können die Tiere das Phosphat und die Mineralien verwenden. Diese müssen also nicht mehr extra zum Futter gegeben werden. Darüber hinaus ist kaum Phytat in den Ausscheidungen vorhanden.
Wenn das Phytat im Verdauungstrakt der Tiere gespalten werden soll, muss bedacht werden, dass im Magen aufgrund der Magensäure ein sehr niedriger pH-Wert besteht. Hierfür eigenen sich Phytasen aus Acidophilen, die in einem sauren Milieu aktiv sind. Oft werden Phytasen auch eingesetzt beim Pelletierungs-Schritt von Futtermittel-Pellets. Dies geschieht bei hohen Temperaturen, weshalb auch hitzestabile Enzyme hierfür eingesetzt werden.

Grüner Treibstoff

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Die nachhaltige Produktion von Treibstoffen wie Bio-Ethanol liegt gerade voll im Trend. Für die Produktion von Bio-Ethanol werden Pflanzen verwendet, die für ihr Wachstum CO2 benötigen. Im Gegensatz zu konventionellen Treibstoffen aus fossilen Energieträgern wird bei der Verbrennung von Bio-Ethanol kaum zusätzliches CO2 produziert.

Für die Produktion von Bio-Ethanol müssen Polysaccharide (langkettige Zuckermoleküle) zunächst gespalten werden. Hierfür können Enzyme verwendet werden! Aufgrund ihrer Robustheit werden immer mehr Enzyme aus Extremophilen dafür gesucht. Durch die Spaltung der Polysaccharide sollen vor allem leicht fermentierbare Zuckermoleküle wie Glucose produziert werden. Die Glucose wird im Anschluss von Mikroorganismen zu Ethanol umgewandelt - ganz ähnlich wie bei der Bier- und Weinherstellung.

Es wird viel diskutiert, ob es sinnvoll ist stärkehaltige Pflanzen wie Mais oder Getreide für die Bio-Ethanol-Herstellung zu verwenden. Bei dieser Tank-versus-Teller-Debatte wurde kritisiert, dass die stärkehaltigen Bestandteile der Pflanzen doch essbar sind und als Nahrungsmittel dienen könnten. Mit dieser Diskussion kam die Verwendung von pflanzlichen Abfallstoffen, wie Stroh, Gräser oder Abfällen aus der Forstwirtschaft ins Gespräch. Diese pflanzlichen Rohstoffe enthalten Lignocellulose. Vor allem die darin enthaltene Cellulose kann dann durch Enzyme in das Zuckermolekül Glucose gespalten werden. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendiger, da das in der Biomasse enthaltene Lignin stört und zuvor abgetrennt werden muss. Daher ist die Nutzung von Abfallstoffen in enzymatischen Abbauprozessen derzeit auch Gegenstand der Forschung.