Corynebacterium glutamicum Mikrobe des Jahres hat ordentlich Geschmack

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Ohne diese Bakterien würden viele Fertiggerichte nur halb so gut schmecken: C. glutamicum ist für die großindustrielle Biosynthese des Geschmacksverstärkers Glutamat zuständig sowie für die Synthese essenzieller Aminosäuren zur Nahrungsergänzung von Mensch und Tier. Diese Eigenschaften brachten dem Organismus den Titel „Mikrobe des Jahres 2025“ ein.

Es sind oft die kleinsten, die größte Bedeutung haben. Im Falle des Corynebacterium glutamicum liegt dies an den Stoffwechselprodukten, die von der Mikrobe freigesetzt werden. Sie ist bekannt als natürlicher Produzent von Glutamat – dem Würzmittel, das bei Lebensmitteln den herzhaften Geschmack „umami“ auf der Zunge auslöst. Schon seit über 100 Jahren mischen Lebensmittelhersteller biotechnisch produziertes Mononatrium-Gluatamat in verschiedenste Produkte. Dort ist es als Zusatzstoff E 621 in der Zutatenliste zu finden, etwa bei Tütensuppen und anderen Fertiggerichten.

Als Salz der natürlichen Aminosäure L-Glutaminsäure kommt Glutamat aber auch von Natur aus in zahlreichen pflanzlichen und tierischen Produkten vor. Besonders hoch sind die Gehalte in proteinreichen Lebensmitteln wie Ei, Fisch, Soja, Hefe, Tomaten oder Käse.

Auch Nahrungsergänzungsmittel stammen aus dem Bakterium

Der Geschmacksverstärker ist aber nicht das einzige Produkt, welches wir von C. glutamicum erhalten. Die Mikrobe produziert auch viele weitere wichtige Aminosäuren und Wirkstoffe. Darunter zum Beispiel L-Lysin – eine essenzielle Aminosäure, die für den menschlichen Körper und viele Tiere unverzichtbar ist.

Dass die Biosynthese diverser Stoffe mithilfe der Bakterien so gut großindustriell gelingt, verdanken wir auch der Arbeit von Wissenschaftlern. Sie haben die Prozesse in C. glutamicum entschlüsselt und mit gentechnischen Methoden optimiert oder für neue Stoffe angepasst. So veränderten sie das Bakterium zum Beispiel so, dass es Reste aus der Biodieselproduktion oder Pflanzenabfälle verwerten kann, beispielsweise Orangenschalen, um wertvolle Aminosäuren herzustellen. Damit ist die Produktion solcher Nahrungsergänzungsmittel weniger von fossilen Rohstoffen abhängig, die sonst typischerweise als Grundbausteine für die Synthese genutzt werden.

Vitaminreiche Proteine aus dem Bioreaktor

Mikroben helfen beim Fleischverzicht

Das „Keulenbakterium“ C. glutamicum ist also hochrelevant für die Lebensmittel-, Futtermittel- und Pharmaindustrie und hat 2025 zurecht den Titel Mikrobe des Jahres erhalten. Diese Bezeichnung vergibt jedes Jahr die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie.

Biotechnologische Forschung mit dem Glutamat-Bildner

Biotechnologische Verfahren, die auf Basis von Mikroorganismen arbeiten, stehen im Fokus eines Projekts des von der Universität Stuttgart koordinierten DFG-Schwerpunktprogramms Interzell: An der „Mikrobe des Jahres“ forschen dabei Prof. Alexander Grünberger (Karlsruher Institut für Technologie), Dr. Dietrich Kohlheyer, (Forschungszentrum Jülich) und Prof. Andreas Schmid (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig).

Das Team untersucht am Beispiel von C. glutamicum, wie sich verschiedene Mikroorganismen in einer kontrollierten Umgebung gegenseitig auf Einzelzell-Ebene beeinflussen. „Als komplementäre Co-Kultursysteme setzen wir zwei Stämme von Corynebacterium glutamicum ein“, sagt KIT-Professor Grünberger. „Jeder der Stämme ist für eine essenzielle Aminosäure auxotroph, das bedeutet, dass er diese nicht bilden kann. In der Co-Kultur versorgt jedoch ein Partner den jeweils anderen mit dieser benötigten Aminosäure. Nur dadurch können beide wachsen“, erläutert der Experte.

Ziel der Forscher ist es, solche mikrobiellen „Partnerschaften“ zu steuern und zu nutzen, um neue Kenntnisse über den biotechnologischen Produktionsprozess auf Zellebene zu erhalten. „Unsere Experimente liefern dafür wichtige Werkzeuge und Erkenntnisse. Sie ermöglichen die Entwicklung neuartiger, einzelliger Biokatalysatoren für die Stamm- und Prozessentwicklung für Bioprozesse mit Rein- und Mischkulturen“, führt Grünbergers Projektkollege Schmid aus.

Auf der Grundlage ihrer Experimente entwickeln die Forschenden zudem ein Modell, um physikalische und biochemische Parameter beim industriellen Scale-up zu optimieren. „Wachsende Datenmengen stellen uns auch in der Biotechnologie vor Herausforderungen. Mit Modellen zur vollautomatischen Bildanalyse von mikrobiellen Zeitrafferaufnahmen können Einzelzellen besser charakterisiert werden. Damit erhalten wir Benchmarks für die Untersuchung biologischer Phänomene“, erklärt Kohlheyer, der Dritte im Bunde.

Scale-Up für die industrielle Biotechnologie erleichtern

Im DFG-Schwerpunktprogramm Interzell forschen 50 Wissenschaftler verschiedener Einrichtungen zu aktuellen Fragen der Bioverfahrenstechnik. Dabei haben sie nicht nur C. glutamicum, sondern auch andere Mikroorganismen im Blick, die eine wichtige Rolle für die industrielle Biotechnologie spielen. Die Forschenden verbinden Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellkultivierung und Zellbiologie mit ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien wie Systemmodellierung, Prozessentwicklung und Simulation.

„Viele Wirkstoffe lassen sich heute gut biotechnologisch, also mithilfe von Mikroorganismen, wie Bakterien, produzieren“, sagt Interzell-Koordinator Prof. Ralf Takors vom Institut für Bioverfahrenstechnik der Universität Stuttgart. „Das Scale-up für die Herstellung in großen Mengen ist jedoch immer noch eine Herausforderung. Hier setzt Interzell an. Wir erforschen neue biotechnologische Produktionsverfahren im Labor – also im kleinen Maßstab und mit geringem Materialeinsatz. Basierend auf den Erkenntnissen, die wir dabei gewinnen, entwickeln wir Modelle und Aussagen zur Hochskalierung in der industriellen Produktion. Dieser Forschungsansatz ist effizient und spart Ressourcen.“

Weiterführende Literatur:

Ralf Takors: Food for Thoughts for Prospective Biomanufacturing, Microbial Biotechnology, Volume18, Issue1, January 2025, DOI: 10.1111/1751-7915.70088

Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie: Mikrobe des Jahres 2025

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