Meilensteine in der Algenbiotechnologie

306 B I O T ECH NOLOGIE Neue Technologien Meilensteine in der Algenbiotechnologie CAROLA GRIEHL 1, ANDREAS SCHMID 2 , CHRISTIAN WIILHELM 3 1 PROFESSUR FÜR BIOCHEMIE, KOMPETENZZENTRUM ALGENBIOTECHNOLOGIE, HOCHSCHULE ANHALT, KÖTHEN 2 PROFESSUR FÜR BIOTECHNOLOGIE, DEPARTMENT SOLARE MATERIALIEN, UFZ LEIPZIG-HALLE 3 SENIORPROFESSOR ALGENBIOTECHNOLOGIE, INSTITUT FÜR BIOLOGIE, UNIVERSITÄT LEIPZIG Recent progress in algal biotechnology has identified new products based on their broad evolutionary origin. Novel metabolites were found for pharmacy, food industry, medicine e.g. tumor suppression and antibiotics. However, sustainable and economical algal production for crude oil replacement is limited by extremely low space time yields in photobioreactors. The consequences are a high energy burden for mass flow dependent processes and the need of space being in conflict with sustainable landscape management. New concepts using algae not as biomass producers but as living catalysts may open new options. DOI: 10.1007/s12268-023-1942-7 © Die Autorinnen und Autoren 2023 ó Die technische Nutzung von Algen als erneuerbare Rohstoffquelle rückt immer mehr in den Fokus von Wissenschaft und Wirtschaft, denn sie bauen schnell Biomasse aus CO2, Sonnenlicht, Wasser und Nährstoffen auf, reinigen Abwässer und Abgase, binden Schwermetalle und liefern spezifische Wertstoffe für zahlreiche Anwendungen als Lebens- und Futtermittel, Kosmetik- und Pharmawirkstoff, Biokunststoff oder Nanomaterial. Algen umfassen heute ca. 67.000 beschriebene Arten, die autotrophe Photosynthese betreiben und meist in Gewässern leben. So gehen ca. 45 Prozent der globalen Photosynthese auf Algen zurück. Ihre Bedeutung als CO2-Senke ist mit der von Wäldern vergleichbar. Neben ihrer Leistung in der Wasserreinhaltung werden sie zunehmend industriell genutzt. Aufgrund ihrer großen phylogenetischen Diversität (Abb. 1) unterscheiden sich Stoffwechselwege und Produktspektren deutlich, mit enormen Konsequenzen für ihre technische Anwendung. Die Biomasseerzeugung von Mikroalgen erfolgt in Suspensionskulturen entweder in offenen Becken oder in Photobioreaktoren (Abb. 2). Die Grundlagen hierfür wurden in den 1940er-Jahren in Deutschland gelegt. Die erste kommerzielle Produktion startete 1960 mit Chlorella sp. (Taiwan, Japan) in offenen Becken. Der erste industrielle Photobioreaktor mit 500 Kilometer Glasröhren ging 2000 (Klötze, Sachsen-Anhalt) in Betrieb. In Europa wurden in den letzten 15 Jahren ca. 370 Anlagen errichtet, darunter 33 in Deutschland, allerdings sind die erzeugten Mengen für eine energetische Nutzung marginal [1]. Bisher werden nur wenige Arten industriell für Lebensmittelzusätze, Futtermittel, Biodünger oder Kosmetika produziert. Zunehmend erobern hochwertige Inhaltsstoffe den Markt, wie ω-3-Fettsäuren, Carotinoide und Proteine. Seit kurzem werden Schuhe auf Mikroalgenbasis hergestellt. Photobioreaktoren können auf wertlosen Flächen installiert werden. Ferner haben Algen gegenüber Pflanzen eine ca. 3-fach höhere photosynthetische Effizienz. Die damit verbundenen höheren Flächenerträge sind eine technologische Chance, allerdings sind Aussagen in der Literatur bis zu 100fach höheren Erträgen schwer interpretierbar, da die Bedingungen für die Algenproduktion im Freiland kaum mit Erträgen klassischer Landwirtschaft vergleichbar sind. Daher fehlen belastbare vergleichbare experimentelle Daten. Wesentliche Hürden für große Algenfabriken sind hohe Produktionskosten und aufwändige Zulassungsverfahren. Das Potenzial von Algen für neue Anwendungen liegt u. a. in ihrer Chemodiversität mit teils einzigartigen Verbindungen für die Pharma- und gesundheitsorientierte Lebensmittelindustrie. Algale Metaboliten entfalten im menschlichen Körper u. a. antivirale, antientzündliche, antioxidative und tumorsupressive Wirkungen oder können selektiv Enzyme blockieren, die mit spezifischen Krankheitsbildern assoziiert sind. Von etwa 10.000 Hoffnungsträgern, die in den Wirkstofflabors gescreent werden, landet im Durchschnitt nur eine Handvoll in der Apotheke. Bisher sind 10 Wirkstoffe auf Algenbasis auf dem Markt. Hierzu gehört IotaCarrageenan (Carragelose), ein sulfatiertes Galactosepolymer aus Rotalgen, das als antivirales Nasenspray seit 2008 vermarktet ˚ Abb. 1: Mikroskopische Aufnahmen biotechnologisch genutzter Mikroalgen/Cyanobakterien. v. l. n. r. Cyanobakterium Arthrospira platensis, Kieselalge Phaeodactylum tricornutum, Eustigmatophyceae Nannochloropsis sp. und Grünalgen Chlorella sp., Haematococcus pluvialis und Botryococcus braunii (noch im Forschungsstadium. Fotos: CAB, Hochschule Anhalt. BIOspektrum | 03.23 | 29. Jahrgang 307 ˚ Abb. 2: Open Ponds (Earthrise/USA), Glasröhren-Reaktoren (Klötze/BRD), GICON-Tannenbaumreaktoren mit Temperiersystem (Köthen/BRD), v. l. n. r. wird und auch vor SARS-CoV-2-Viren schützt. Ein Oligomannuronat (GV-971) aus Braunalgen wurde 2019 in China zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit zugelassen (Europa: Phase III). Der Wirkstoff hemmt Entzündungen und neuroinflammatorische Prozesse im Gehirn. Damit verbunden ist eine Reduktion der β-AmyloidAblagerungen und eine Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten. Das aus Cyanobakterien isolierte Dolastatin-10 diente als Leitstruktur für die Entwicklung von Auristatinen. Diese werden in Form von AuristatinAntikörper-Konjugaten erfolgreich zur Krebstherapie eingesetzt (Tab. 1). Eine neue Wirkstoffklasse sind antivirale Lektine aus Rotalgen und Cyanobakterien. Sie binden spezifisch an Glykanketten der Virusproteine und inhibieren die Viren. Bekanntester Vertreter ist das Rotalgenlektin Griffithsin, das derzeit klinische Studien als Virostatikum gegen SARS-CoV-2, HIV, Hepatitis C und Herpes simplex durchläuft. Am ZNT in Köthen werden u. a. Glutaminylcyclase-inhibierende Sulfolipide als potente Therapeutika gegen Alzheimer [2] (DE102015011780.A1) und Paradontitis entwickelt. Im Lebensmittelbereich sind zahlreiche Innovationen zu erwarten. Algen stellen ressourcenschonend ernährungsphysiologisch wertvolle Substanzen wie Proteine, Carotinoide, Vitamine und Mineralstoffe zur Verfügung, ganz im Trend gesunder Ernährung (Nestle-Zukunftsstudie). Vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung stellt insbesondere die Proteinversorgung durch Algen wegen ihres Proteingehalts von z. T. mehr als 50 Prozent eine Chance dar. Damit können sie in Zukunft die Nische der Lifestyle-Produkte verlassen und Bestandteil der allgemeinen Ernährungspraxis werden. Arthrospira sp. (früher Spirulina) und Chlorella sp. werden schon jetzt verschiedenen Lebensmitteln beigefügt, wie Nudeln, Smoothies oder Süßigkeiten. Zur Steigerung der Nahrungsqualität und Stärkung der Immunabwehr können weitere algenspezifische Inhaltsstoffe zugesetzt werden, wie die ω-3-Fettsäuren EPA und DHA oder der Proteinfarbstoff Phycocyanin. Welche Probleme muss die Wissenschaft noch lösen, bevor Algen industriell nutzbar werden? Algen können erhebliche Mengen an Speicherstoffen – wie Kohlenhydrate und Triacyl (...truncated)