Forschende versuchen daher seit langem, aus Mikroorganismen lebende Minifabriken zu machen, die schneller größere Mengen eines gewünschten Produkts herstellen. Dazu müssen sie entweder gezielt ins Erbgut eingreifen oder die am besten geeigneten Bakterienstämme züchten.

Einen neuen Ansatz präsentiert nun die Arbeitsgruppe von André Studart, Professor für Komplexe Materialien an der ETH Zürich, am Beispiel des zelluloseproduzierenden Bakteriums mit dem Namen Komagataeibacter sucrofermentans.

Bakterien als Produktionssysteme

Indem sie die Prinzipien der Evolution durch natürliche Selektion auf ihre Methode anwenden, können die Wissenschaftler:innen in kurzer Zeit Zehntausende Varianten des Bakteriums erzeugen und gezielt diejenigen auswählen, die am meisten Zellulose produzieren.

K. sucrofermentans produziert von Natur aus hochreine Zellulose, ein Material, das unter anderem für biomedizinische Anwendungen, die Herstellung von Verpackungsmaterial oder Textilien sehr gefragt ist.

Diese Zellulose fördert beispielsweise die Wundheilung und beugt Infektionen vor. „Doch die Bakterien wachsen langsam und produzieren nur begrenzte Mengen des Materials. Wir mussten also einen Weg finden, die Produktion anzukurbeln", erklärt Julie Laurent, Doktorandin in Studarts Gruppe und Erstautorin einer Studie, die gerade in der Fachzeitschrift PNAS erschienen ist.

Mit dem von ihr entwickelten Ansatz ist das gelungen: Einige wenige Varianten von K. sucrofermentans produzieren bis zu siebzig Prozent mehr Zellulose als die Ausgangsform.

Mit UV-Licht die Evolution beschleunigen

Zunächst erzeugte die Materialforscherin aus dem ursprünglichen Bakterium, dem so genannten Wildtyp, neue Varianten. Dazu bestrahlte sie die Bakterienzellen mit UV-C-Licht. Das UV-Licht schädigt die Bakterien-DNA an zufälligen Stellen. Anschließend ließ Julie Laurent die Bakterien in der Dunkelkammer ruhen, was sie daran hindert, die DNA-Schäden zu reparieren. Dadurch entstehen Mutationen.

Dann verkapselte sie jede einzelne Bakterienzelle mit einer Miniaturapparatur in einem winzigen Tropfen Nährlösung und ließ die Zellen eine Zeit lang Zellulose produzieren. Nach der Inkubationszeit untersuchte sie mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie, welche Zellen viel und welche keine oder nur sehr wenig Zellulose produzierten.

Sortieranlage für Zellen

Mit einer von ETH-Chemiker Andrew DeMello entwickelten Sortieranlage sortierte Studarts Team automatisch jene Zellen aus, die sich zu den besten Produzenten entwickelt hatten und besonders viel Zellulose produzierten.

Die Sortieranlage arbeitet vollautomatisch und sehr schnell. In nur zehn Minuten kann sie eine halbe Million Tröpfchen mit einem Laser abtasten und diejenigen aussortieren, die am meisten Zellulose enthalten. Am Ende blieben nur vier übrig, die 50 bis 70 Prozent mehr Zellulose produzieren als der Wildtyp.

Die Zellen von K. sucrofermentans sind in der Lage, in Reaktionsgefäßen an der Grenzschicht zwischen Luft und Wasser Zellulosematten zu produzieren. Eine Zellulosematte in einem solchen Gefäß wiegt natürlicherweise zwischen zwei und drei Milligramm und ist 1,5 Millimeter dick. Die Matten aus den weiterentwickelten Varianten sind fast doppelt so schwer und dick.