Natürliches Bioplastik ist Nahrung für Tiere

Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind von Bakterien und Archaeen intrazellulär synthetisierte Biopolymere, die als Kohlenstoff- und Energiespeicher dienen. Bislang galt die wissenschaftliche Annahme, dass der enzymatische Abbau dieser natürlichen Makromoleküle exklusiv prokaryotischen Organismen vorbehalten ist. Eine aktuelle Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen belegt nun jedoch, dass auch Metazoen über funktionale Enzyme zum Abbau mikrobieller PHAs verfügen. Dieser bislang unberücksichtigte Stoffwechselweg ermöglicht den Transfer von mikrobiell gebundenem Kohlenstoff in höhere trophische Ebenen.

Symbiosemodell: Olavius algarvensis als Katalysator der Entdeckung

Ausgangspunkt der Untersuchungen war der darmlose marine Oligochaet Olavius algarvensis. Der Wurm besitzt weder Mundwerkzeuge noch einen Magen-Darm-Trakt und lebt obligat endosymbiontisch mit subkuticular lokalisierten Bakterien, die er bei Bedarf lysiert. „Einer der bakteriellen Symbionten des Wurms speichert enorme Mengen Kohlenstoff in Form von PHA“, sagt Nicole Dubilier. „Wir wollten wissen, ob der Wurm einen Weg gefunden hat, diese energiereiche Reserve zu nutzen.“
In-situ-Analysen und hochauflösende Bildgebungsverfahren bestätigten die Expression eines wurmeigenen Enzyms im Bereich der bakteriellen Verdauungszonen. Das Enzym spaltet die hochmolekularen PHAs in niedermolekulare Monomere, die vom Wirtsorganismus metabolisiert werden können.

Phytogenetische Verteilung und enzymatische Validierung

Bioinformatische Screening-Analysen in Genomdatenbanken offenbarten homologe Enzymsequenzen in mehr als 66 Tierarten aus neun Phyla. Laboranalysen und biochemische Assays bestätigten die funktionelle Depolymerase-Aktivität auch bei phylogenetisch weit entfernt liegenden Taxa, darunter Porifera (Schwämme), Lumbricidae (Regenwürmer) und Collembolen (Springschwänze). „Das war die eigentliche Überraschung“, sagt Caroline Zeidler. „Es begann mit einem einzelnen Meereswurm und fand sich dann in ganz unterschiedlichen Tieren.“

Relevanz für den globalen Kohlenstoffkreislauf und Biokunststoff-Abbau

Mikrobielle PHAs zeichnen sich durch ihre vollständige biologische Abbaubarkeit in Böden, Sedimenten und aquatischen Systemen aus. Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz von PHAs als nachhaltige Polymeralternativen liefert die Identifikation tierischer Depolymerasen neue Parameter für die Modellierung des Abbauverhaltens in natürlichen Ökosystemen

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Metazoen aktiv am Abbau dieser Biopolymere beteiligt sind und mikrobielle Kohlenstoffdepots nutzen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese mikrobiellen Speicherstoffe nicht nur Nahrung für Mikroben sind“, sagt Maggie Sogin. „Bioplastik kann auch Nahrung für Tiere sein, wahrscheinlich schon seit Hunderten von Millionen Jahren, und wir entdecken das erst jetzt.“ Der quantitative Beitrag dieses Stoffwechselwegs zum globalen Kohlenstoffkreislauf ist Gegenstand laufender Untersuchungen.

Synthese und industrielle Applikation von PHA-Materialien

Neben ihrer physiologischen Rolle als mikrobielle Reservestoffe besitzen PHAs ein breites Anwendungspotenzial in der Materialwissenschaft. Biotechnologisch werden PHAs über bakterielle Fermentationsprozesse unter Einsatz variabler Kohlenstoffquellen (z. B. Zucker, Stärke, Lipide) im industriellen Maßstab gewonnen.

Das Spektrum der Materialeigenschaften macht PHAs zu vielversprechenden Kandidaten für Verpackungsfolien, Agrarmaterialien mit kontrollierter Wirkstofffreisetzung sowie biomedizinische Systeme (z. B. resorbierbares Nahtmaterial, Wirkstoffträger und Gewebegerüste). Trotz der ökologischen Vorteile beschränkt sich der Marktanteil derzeit noch auf Nischenanwendungen, was sich durch den Ausbau globaler Synthesedkapazitäten künftig verschieben dürfte.

Quelle

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. (08/2026)