An der Friedrich-Schiller-Universität Jena sind gelbe Naturfarbstoffe entstanden, die allein aus Kohlendioxid und Lichtenergie hergestellt werden. Grundlage ist ein biotechnologisches Verfahren mit Cyanobakterien, denen gezielt Gene aus Roter Bete übertragen wurden. Die Pigmente gehören zur Gruppe der Betaxanthine und gelten als potenzielle Alternative zu synthetischen Lebensmittelfarbstoffen.
Die entwickelten Naturfarbstoffe weisen antioxidative Eigenschaften auf und eröffnen damit Anwendungsmöglichkeiten in Lebensmitteln und Kosmetik. Durch die Nutzung photosynthetischer Mikroorganismen entsteht ein Produktionssystem, das ohne die Zugabe von Zuckern oder Aminosäuren auskommt. Ziel der Arbeiten ist es, natürliche Farbstoffe kontrolliert, nachhaltig und perspektivisch skalierbar bereitzustellen.
Nachhaltige Herstellung von Naturfarbstoffe mit Licht und CO2
Die Nachfrage nach natürlichen Alternativen zu synthetischen Farbstoffen nimmt zu. „Bei Lebensmittelfarbstoffen gibt es einen Trend in der Nachfrage, der weggeht von synthetischen Farbstoffen hin zu natürlichen Alternativen“, erklärt Julie Zedler, Juniorprofessorin für Synthetische Biologie photosynthetischer Organismen der Universität Jena. Gelbe und orangene Betaxanthine, die bislang aus Pflanzen gewonnen werden, stehen dabei besonders im Interesse.
Die Gewinnung aus Pflanzen steht jedoch in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. „Die Farbstoffgewinnung aus Pflanzen konkurriert jedoch mit der Nahrungsmittelproduktion. Wir brauchen also Alternativen, um diese natürlichen Pigmente kontrolliert und nachhaltig produzieren zu können“, so Zedler. Gemeinsam mit der Universität Kopenhagen entwickelte das Team daher ein Produktionssystem auf Basis von Cyanobakterien.
Für die Herstellung der Naturfarbstoffe übertrugen die Forschenden gezielt Gene aus Roter Bete (Beta vulgaris) in das photosynthesebetreibende Bakterium Synechocystis. „Im Unterschied zu etablierten biotechnologischen Verfahren mit Hefen oder Bakterien arbeiten unsere Cyanobakterien im Prinzip wie kleine solargetriebene Fabriken“, erläutert Zedler. „Sie wandeln mit Licht Kohlendioxid direkt in hochwertige Naturfarbstoffe um – und das ganz ohne Zugabe von Zuckern oder Aminosäuren.“
Durch gezielte Stoffwechselanpassungen und optimierte Kultivierungsbedingungen steigerten die Forschenden die Pigmentausbeute deutlich. Am Ende erreichten sie eine rund 165-fach höhere Produktion als zu Beginn der Versuche. „Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer skalierbaren, nachhaltigen Herstellung für die Industrie“, sagt Zedler.
Neben der möglichen Verwendung in Lebensmitteln sehen die Forschenden auch Potenzial in der Kosmetik sowie perspektivisch in der Lebensmittelverpackung. Betaxanthine wirken nicht nur als Farbstoffe, sondern auch als Antioxidantien. „Betaxanthine sind nicht nur Farbstoffe, sondern sie wirken auch als Antioxidantien“, betont Zedler. „Sie könnten daher synthetische Zusatzstoffe in Lebensmitteln ersetzen und gleichzeitig einen ernährungsphysiologischen Mehrwert bieten.“
Originalpublikation: Sayali S. Hanamghar, David A. Russo, Silas Busck Mellor, Julie A.Z. Zedler: „Establishing heterologous betaxanthin pigment biosynthesis in cyanobacteria“, Metabolic Engineering (2026), DOI: 10.1016/j.ymben.2026.01.002