Projekt

Unser Projekt

Infolge des verstärkten Treibhauseffekts verändert sich das Klima der Erde merklich. Methan, ein Treibhausgas wie Kohlendioxid (CO2), speichert Wärme in der Atmosphäre und verstärkt die globale Erwärmung. Allerdings ist der Einfluss von Methan auf den Treibhauseffekt 25-mal größer als der von CO2.
Eine der zahlreichen natürlichen Methanquellen ist die enterale Fermentation bei Wiederkäuern wie Milchkühen und Rindern. In ihrem Pansen setzen Milliarden von Mikroorganismen Treibhausgase frei, wenn sie bei der Verdauung der Nahrung des Tieres helfen. Dies ist eigentlich ein natürlicher Prozess, aber die industrielle Landwirtschaft und die steigende Nachfrage verstärken die Emissionen und damit den Treibhauseffekt. Obwohl immer mehr Menschen bereit sind, dauerhaft auf Milchprodukte und Rindfleisch zu verzichten, tut dies die Mehrheit nicht. 
Methan kann von methanotrophen Bakterien, darunter dem Modellorganismus Methylococcus capsulatus, als Kohlenstoffquelle verwertet werden. M. capsulatus nutzt die gut charakterisierte lösliche Methan-Monooxygenase (sMMO), einen aus drei Untereinheiten bestehenden Enzymkomplex, um Methan in Methanol umzuwandeln.
In Anbetracht der enormen Auswirkungen von Methan im Vergleich zu CO2 sind Methanemissionen ein wesentlicher Handlungspunkt für den zukünftigen Klimaschutz und brachten uns so auf die Idee für unser Projekt: Wir haben ein Bakterium entwickelt, das Methan direkt an seinem Entstehungsort - dem Pansen der Kuh - verstoffwechselt.
Während dieser iGEM-Saison konnten wir eine Technik entwickeln, um alle Komponenten der Methan-Monooxygenase in E. coli erfolgreich in löslicher Form zu exprimieren und die Aktivität des gesamten Enzymkomplexes nachzuweisen. Nach dem Bau und der Transformation unserer endgültigen Vorrichtung und der Optimierung der Kultivierungsbedingungen ist es uns gelungen, eine der Untereinheiten der sMMO, MMOC, in löslicher Form und eine weitere, MMOX, in Einschlusskörpern zu produzieren. Um eine effektive Produktion der verbleibenden Untereinheiten in der löslichen Fraktion zu erreichen, haben wir die Cotransformation unseres E. coli-Stammes mit verschiedenen Kombinationen bekannter Chaperonproteine untersucht. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Expression der sMMO am besten funktioniert, wenn sie mit den bakteriellen Chaperonen GroEL und GroES ko-exprimiert wird. Aus Gründen des Schutzes vor bakterienfressenden Ciliaten in der Pansenflüssigkeit und um das Überleben von E. cowli zu ermöglichen, testeten wir auch das Einschließen und die Kultivierung in Alginatkügelchen. Mit Hilfe eines Methansensors konnten wir auch den Abbau von Methan durch unser gentechnisch verändertes Bakterium E. cowli nachweisen.
Um die Effizienz von E. cowli in der natürlichen Umgebung des Kuhpansens zu bewerten, haben wir ein mathematisches Modell erstellt, das auf experimentell gewonnenen und Literaturdaten basiert. So haben wir herausgefunden, dass bereits 50 $US pro Jahr ausreichen, um die jährlichen Methanemissionen um 110 kg pro Kuh zu reduzieren. Unser mathematisches Modell zeigt deutlich, dass eine erhebliche Menge an Methan direkt im Pansen der Kuh abgebaut werden kann, wenn E. cowli dem Futter zugesetzt wird. Dies bedeutet, dass das Treibhausgas Methan, das bei der enterischen Fermentation entsteht, nicht mehr in die Erdatmosphäre freigesetzt wird und somit nicht mehr zum Treibhauseffekt beitragen kann. Für die Zukunft ist geplant, gereinigtes sMMO in geeigneten Mengen zu gewinnen, um es zu einem industriell nutzbaren Produkt zu machen. Die neue Verwendbarkeit von sMMO könnte drei Hauptprobleme der industrialisierten Wirtschaft lösen: Umweltverschmutzung, Energieknappheit und natürlich die globale Erwärmung. 
Da die sMMO in der Lage ist, eine Vielzahl von Substraten abzubauen, wie z. B. einen der größten Wasserschadstoffe, das industrielle Lösungsmittel Trichlorethylen (TCE), kann unser Projekt als Grundlage für einen neuen Ansatz der biologischen Wasseraufbereitung oder des Umweltschutzes im Allgemeinen dienen. 
Man könnte sich auch die Fähigkeit der sMMO zunutze machen, Methan in Methanol umzuwandeln: Methan kann als Energiequelle dienen, ist aber aufgrund seines gasförmigen Zustands im Vergleich zum flüssigen Methanol sehr schwer zu transportieren. Bisher wird Methan für den Transport chemisch in Methanol umgewandelt und später wiederum chemisch in Bestandteile von Dieselkraftstoff und Benzin oder in Propylen und Ethylen, Vorstufen wichtiger chemischer Stoffe, umgewandelt. Die Verwendung des sMMO zur Oxidation von Methan ist ein viel wirtschaftlicherer und umweltfreundlicherer Ansatz zur Nutzung von Methan als Ressource für die Energieerzeugung.
Unser Projekt hat also eine große Bedeutung für ein breites Spektrum von Problemen und Möglichkeiten.