Laborjournal fragte die Firma BRAIN, ob sie uns etwas zur biotechnischen Synthese von Indigo verraten könnten. Pharmazeut Simon F. Seibert, als Projektleiter und Platform Coordinator Analytics für verschiedene Forschungsprojekte und die analytischen Aktivitäten des Unternehmens verantwortlich, konnte. Hier ist seine ausführliche Antwort:
Liebe Leserin, lieber Leser, schauen Sie doch bitte mal an sich hinunter! Viele von Ihnen werden Hosenbeine von schöner blauer Farbe aus robustem Baumwollstoff mit charakteristischen Tragespuren sehen. Bluejeans, oder Denims, ein Kleidungsstück, das in vielen Schattierungen und Schnitten seit Jahren alle Modeströmungen mitbestimmt und längst nicht mehr als Hose für körperliche Arbeiten wahrgenommen wird, auch wenn der mechanische Abrieb der Farbe den Hosen ihre individuelle Note verleiht.
Der entsprechende Farbstoff – Indigo – begleitet die Menschheit schon viel länger als die Jeans und beeinflusste immer wieder maßgeblich Wirtschaft und Weltgeschehen. Es gibt unzählige Publikationen und auch Künstler beschäftigen sich immer wieder mit Indigo und seiner Geschichte. Auf der letztjährigen documenta, einer der weltweit wichtigsten Schauen für zeitgenössische Kunst, wurden Werke des Künstlers Aboubakar Fofana gezeigt: in Kassel eine Installation mit dem Titel “Aufstand“ mit Tüchern verschiedener Schattierungen, in Athen gar eine mittels Indigo eingefärbte Schafherde. Die Arbeiten weisen auf die Schattenseite von Indigo hin: Kolonialismus und Sklaverei. Gewonnen hat der Künstler den Farbstoff auf traditionelle Art und Weise aus der Pflanze.
Der momentane Bedarf an Indigo, weltweit mehr als 50.000 Tonnen pro Jahr, wird hingegen über chemisch-synthetische Verfahren gedeckt. Dabei zeigt sich zunehmend ein anderer unschöner Aspekt: die Schädigung der Umwelt. Hauptgegenstand der aktuellen naturwissenschaftlichen Forschung sind daher Wege zur Reduktion der Umweltbelastung durch die verwendeten Chemikalien, die wegen mangelhafter Schutzmaßnahmen in den textilverarbeitenden Ländern zu eklatanten Schäden führen. Vor diesem Hintergrund sorgte eine kürzlich in Nature Chemical Biology veröffentliche Arbeit für Aufsehen.
In dem Paper beschreibt eine Gruppe um John Dueber vom Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Kalifornien, ein biotechnologisches Verfahren, bei dem ein genetisch modifizierter Escherichia-coli-Stamm einen besonders umweltkritischen Schritt des Färbevorgangs unnötig macht: Da Indigo selbst kaum wasserlöslich ist, wird es mithilfe einer Natriumdithionit-Lauge zur gelblichen Vorstufe Leucindigo reduziert. Dieser Prozess wird wegen des Verschwindens der blauen Farbe als Bleaching bezeichnet. Leucindigo wird danach in wässriger Lösung auf die Fasern aufgetragen und reagiert spontan mit Luftsauerstoff zurück zu dem gewünschten Farbstoff.
Um das Bleaching zu umgehen, orientierte sich die Gruppe um Dueber an einem in der Natur weit verbreiteten Prinzip, mit dem reaktive Stoffe einerseits stabilisiert und andererseits wasserlöslich gemacht werden können: der Glycosylierung. Dazu wurde zuerst ein Enzym mit der gewünschten Aktivität aus der Pflanze Polygonum tinctorium, einem natürlichen Indigo-Produzenten, isoliert und das dafür kodierende genetische Material identifiziert. Das Gen wurde danach gemeinsam mit den bereits bekannten Genen der Indoxylbiosynthese in einem E. coli-Stamm zur Expression gebracht.
Das neue Enzym, eine Glucosyltransferase, überträgt eine Glucoseeinheit unter Energieverbrauch auf das in dem Bakterium bereitgestellte Indoxyl. Diese labile Vorstufe wird dadurch stabilisiert und bleibt als Glycosid gut wasserlöslich und lagerbar. Indican, so ihr Name, wird von den Zellen ins Medium abgegeben. Es kann direkt verwendet, aufkonzentriert, gelagert oder transportiert werden. Es besitzt also alle positiven Eigenschaften, die sonst nur durch die Reduktion von Indigo zu Leucindigo erreicht werden. Zum Färben lässt sich Indican schließlich in wässriger Lösung zusammen mit einem weiteren von der Forschergruppe beschriebenen Enzym, einer beta-Glucosidase, auf textile Fasern auftragen. Die beta-Glucosidase spaltet den Zuckerrest wieder vom Aglykon ab, das dann spontan über Leucindigo zu Indigo reagiert.
Mit dieser trickreichen Strategie können also gleich zwei umweltgefährdende Schritte aktueller Verfahren vermieden werden: zum einen wird die chemische Synthese von Indigo durch die bakterielle Biosynthese, ausgehend von Glycerol und Tryptophan, ersetzt. Zum anderen – und das macht die Neuheit der Methode aus – wird durch denselben Mikroorganismus auch gleich die reduktive Stabilisierung als Leucindigo unnötig gemacht.
Trotz vergleichsweise hoher Indican-Ausbeute der fermentativen Ansätze ist es noch ein weiter Weg zur konkurrenzfähigen Etablierung des Verfahrens. Darauf weisen die Autoren explizit hin und nennen auch die nächsten Schritte, die zu einer Optimierung angegangen werden sollen. Insbesondere wollen sie eine bezüglich des pH-Optimums, der Kinetik und der Herstellungskosten verbesserte beta-Glucosidase entwickeln, damit Färbeergebnisse und -geschwindigkeit konkurrenzfähig sind. Mit Blick auf die wirtschaftliche Produktion von Glucosidasen für die Biotreibstoff Gewinnung und den Möglichkeiten der biotechnologischen Enzymoptimierung scheinen diese Ziele durchaus erreichbar.
Des Weiteren soll der Produktionsstamm hinsichtlich der Verwendung der Kohlenstoffquelle optimiert und das momentan notwendige Tryptophan durch eine günstigere Stickstoffquelle ersetzt werden. Diese Modifikationen sind vermutlich mit höherem Entwicklungsaufwand verbunden. Zusätzlich dazu wäre die Rückführung der Schutzgruppe in den Prozess wünschenswert, wird in ihr doch ein erheblicher Teil der vom Produktionsstamm verstoffwechselten Kohlenstoffquelle angelegt. In Anbetracht der großen Mengen des weltweit verarbeiteten Indigos scheinen aber auch diese größeren Optimierungsarbeiten durchaus ökonomisch und ökologisch gerechtfertigt.