Wenn Bakterien in einer Nährlösung baden, die ihnen Kohlenstoff à discretion liefert, speichern sie diesen oft in Form plastikähnlicher Verbindungen, sogenannter Polyhydroxyalkanoate (PHA). Diese sind wie konventioneller Plastik Wasser abstossend und — je nach Zusammensetzung — elastisch, haben aber den Vorteil, biologisch abbaubar zu sein.

Voraussetzung, dass die Bakterien die Kohlenstoffverbindungen nicht einfach zur Vermehrung brauchen, ist der Mangel an einem wichtigen Nährstoff, zum Beispiel Stickstoff. Damit Bakterien jedoch eine brauchbare Menge Bioplastik anhäufen, muss ihre Nährlösung zu Beginn eine recht grosse Menge Kohlenstoff, zum Beispiel in Form von langkettigen Fettsäuren, enthalten. Dies wiederum bekommt den Bakterien nicht; ihre Hüllen werden von den aggressiven Fettsäuren aufgelöst, und die Kulturlösung schäumt extrem.

Das Wachstumsverhalten der Plastik bildenden Bakterien haben nun Thomas Egli von der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (EAWAG) und Bernard Witholt vom Institut für Biotechnologie der ETH Zürich mit ihren Mitarbeitenden im Rahmen des Schwerpunktprogramms Biotechnologie genau analysiert und dabei einen Wachstumszustand gefunden, der optimale Zuchtbedingungen bietet: den Zustand, in dem nicht nur der Stickstoff, sondern auch der Kohlenstoff knapp ist. In dieser Phase bilden die Bakterien nicht nur die grösstmögliche Menge Bioplastik; sie sind auch nicht wählerisch, wenn ihnen verschiedene Kohlenstoffverbindungen verfüttert werden. Sie nehmen die Verbindungen ihrer Häufigkeit entsprechend auf und lagern sie ein. So können PHAs mit unterschiedlichen und standardisierten Zusammensetzungen hergestellt werden. Dieses Prinzip der mehrfachen ährstofflimitierung lässt sich wahrscheinlich nicht nur zur Produktion von Bioplastik nutzen, sondern auch in vielen anderen biotechnologischen Prozessen anwenden, in denen mit Hilfe von Mikroorganismen Produkte, wie z. B. Antibiotika, hergestellt werden.

Damit sowohl Kohlenstoff wie auch Stickstoff über eine längere Phase in derselben — tiefen — Konzentration vorhanden sind, verwenden die Forscher einen Bioreaktor, dem kontinuierlich Nährlösung und separat Kohlenstoff- und Stickstoffquellen zugeführt werden. Die überschüssigen Bakterien mit dem angesammelten Plastik werden abgeschöpft und in Eis gekühlt, damit sie die PHA nicht wieder zum Überleben verbrauchen. Die Gewinnung des Bioplastiks ist dann ein Leichtes: Die Zellen werden gefriergetrocknet und der Plastik mit Hilfe eines Lösungsmittels herausgelöst. Wird das Lösungsmittel dann abgedampft, so bleibt Bioplastik übrig — in reinster Form.

Zwei Plastiktypen wurden von den Forschern schon für die Chemikalienherstellerin Fluka hergestellt und sind schon im Handel. Als nächsten Schritt wollen die Forscher das Konzept bei ihrem Industriepartner einrichten. Die Firma wird auf diese Weise massgeschneiderte PHA-Verbindungen produzieren und sie in Mengen von mehreren hundert Gramm vertreiben. Dadurch können erstmals mechanische Eigenschaften der verschiedenen Bioplastik-Arten untersucht werden. Diese lassen sich nämlich aus der chemischen Zusammensetzung der PHA-Verbindungen allein nicht ablesen.

Anwendungsmöglichkeiten des PHA-Bioplastiks bietet vor allem die Medizin. Im Gegensatz zu anderen Substanzen mit ähnlichen Eigenschaften können PHA nämlich mit grosser Reinheit hergestellt werden, was ihre Abbaubarkeit und Verträglichkeit im menschlichen Körper verbessert. So könnte der Bioplastik beispielsweise als künstliche Blutgefässe, Faden für Wundverschlüsse, Knochenprothesen oder gar als sich langsam auflösendes Medikamentendepot zum Einsatz kommen.