Aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung steigt der Bedarf an Nahrungsmitteln stetig an, was wiederum einen erhöhten Bedarf an Proteinen zur Verwendung in Tierfutter zur Folge hat. Insbesondere China leidet unter einem gravierenden Mangel an Proteinquellen.
Obwohl China seit vielen Jahren weltweit führend in der Schweineproduktion und Aquakultur ist, ist das Land nach wie vor stark von Sojabohnenimporten als Tierfutter abhängig: Die jährlichen Importe belaufen sich auf rund 100 Millionen Tonnen, die Abhängigkeitsquote liegt bei über 80 Prozent.
Daher ist die Entwicklung schneller und effizienter Methoden zur Herstellung hochwertiger Proteine von großer Bedeutung. Und die vielversprechendste Lösung liegt in der synthetischen Biologie.
Es gibt mehrere Wege zur biologischen Proteinsynthese. Der einfachste Weg besteht darin, Nebenprodukte der Lebensmittel- und Agrarindustrie wie etwa Maisquellwasser, Destillerierückstände und Reisstroh durch mikrobielle Transformation in höherwertige Proteinprodukte umzuwandeln.
Allerdings sind die Versorgung und Qualität dieser Nebenprodukte instabil, was die industrielle Produktion erschwert.
Chinesische Wissenschaftler haben eine kostengünstige Methode gefunden, Kohle in Protein umzuwandeln, das als Tierfutter verwendet werden kann. (Foto: Shutterstock)
Ein weiterer bemerkenswerter Ansatz bei der industriellen Fermentation unter Verwendung energieerzeugender Chemikalien ist die Verwendung von Methanol, das kostengünstig aus Kohle gewonnen wird.
Dies erforschen Wissenschaftler des Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) unter der Leitung von Professor Wu Xin.
„Kohle, deren weltweite Reserven etwa 107 Billionen Tonnen betragen, kann durch Kohlevergasung in Methanol umgewandelt werden. „Methanol lässt sich gut mit Wasser mischen, ist bei der Gärung effizienter als Gas und erfordert keine spezielle Gärungsausrüstung“, schrieb Professor Wu in einem Artikel, der im China Science Bulletin veröffentlicht wurde.
Sein Team hat nun eine Technologie entwickelt, die Proteine kostengünstiger produziert als die traditionelle Proteinbiosynthese. Diese Ergebnisse wurden am 17. November 2023 in der von Experten begutachteten internationalen Zeitschrift „Biotechnology for Biofuels and Bioproducts“ veröffentlicht.
„Die Forschung zur Synthese von Zellproteinen aus Methanol begann in den 1980er Jahren und konzentrierte sich hauptsächlich auf die Stammauswahl und die Optimierung der Produktionsprozesse. Aufgrund der hohen Kosten können methanolsynthetisierte Proteinprodukte jedoch nicht mit Sojaprotein konkurrieren und werden nicht im großen Maßstab produziert“, leitet Professor Wu den Artikel ein.
Um das Problem zu lösen, sammelte sein Team mehr als 20.000 Hefeproben aus Weinbergen, Wäldern und Feuchtgebieten in ganz China. Anhand dieser Proben identifizierten sie Stämme, die verschiedene Zucker und Alkohole effizient als Kohlenstoffquellen nutzen konnten, darunter den Hefestamm Pichia pastoris.
Anschließend schalteten sie in einem Wildstamm von Pichia pastoris spezifische Gene aus und schufen so eine Hefe mit Methanol-Toleranz und deutlich gesteigerter Stoffwechseleffizienz. Diese Technik hat das Ziel der Umwandlung von Methanol in Protein erheblich gefördert.
„Die Forscher erreichten mit ihrer modifizierten Pichia pastoris ein Trockenzellgewicht und einen Rohproteingehalt von 120 g/Liter bzw. 67,2 %. Und die Umwandlungseffizienz von Methanol in Protein erreichte 92 % des theoretischen Werts“, heißt es in dem Bericht auf der CAS-Website.
Aufgrund der hohen Umwandlungsrate ist diese Methode der Proteinproduktion wirtschaftlich sehr attraktiv.
„Es erfordert kein Ackerland, ist unabhängig von Jahreszeit und Klima und ist tausendmal effizienter als traditionelle Fermentationsmethoden“, sagte Professor Wu in dem Artikel. Darüber hinaus liegt der Proteingehalt der Mikroorganismen mit 40 bis 85 Prozent deutlich höher als bei natürlichen Pflanzen.“
Diese Proteine sind außerdem reich an Aminosäuren, Vitaminen, anorganischen Salzen, Fetten und Kohlenhydraten, sodass sie in zahlreichen Anwendungen Fischmehl, Sojabohnen, Fleisch und Magermilchpulver teilweise ersetzen können.
Das Forschungsteam hat mit Forschungseinsätzen im industriellen Maßstab begonnen und produziert Tausende Tonnen Methanolprotein für Nutztiere. Der konkrete Partner wurde nicht bekannt gegeben.
Mikrobielle Proteine sind sehr nahrhaft und frei von Allergenen wie Sojaproteinen, was sie zu einer ausgezeichneten Proteinquelle macht. Allerdings gibt es heute nur wenige Produkte auf dem Markt.
Das US-Unternehmen KnipBio hat mithilfe gentechnisch veränderter Stämme aus Methanol KnipBio Meal hergestellt, ein hochwertiges Futterprotein, das mit Fischmehl vergleichbar ist. Dieses Produkt hat die Sicherheitszulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) erhalten.
Hua Yu (Quelle: SCMP)
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