Basfia succiniciproducens ist ein in der Gram-Färbung negatives, fakultativ anaerobes und unbewegliches Bakterium aus der Familie der Pasteurellaceae. Es wurde 2008 erstmals aus dem Pansen des Holstein-Rinds isoliert und 2009 wissenschaftlich beschrieben. Aufgrund seiner Fähigkeit, durch Gärung vergleichsweise große Mengen Bernsteinsäure und Fumarsäure zu produzieren, ist es für die industrielle Biotechnologie von Bedeutung.
Merkmale Das Bakterium ist kokken- bis stäbchenförmig und besitzt wie alle Pasteurellaceae keine Geißel, wodurch es sich nicht aktiv fortbewegen kann. Das Bakterium ist gramnegativ, besitzt also nur eine dünne, einschichtige Mureinhülle, die keine Teichonsäuren enthält. Angaben über Einzelzellgrößen sind wissenschaftlich nicht dokumentiert, Kolonien erreichen nach 24 Stunden Wachstum einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 Millimeter und sind durchscheinend grau gefärbt.
Basfia succiniciproducens wurde, wie die Mehrzahl der Proteobakterien, allein über physiologische bzw. biochemische Merkmale charakterisiert, während sie eidonomisch keine Besonderheiten gegenüber anderen Arten und Gattungen der Pasteurellaceae aufweist. Die Erstbeschreibung erfüllt damit die für eine Charakterisierung einer neuen Art und Gattung innerhalb der Pasteurellaceae geltenden Mindeststandards,Henrik Christensen, Peter Kuhnert, Hans-Jürgen Busse, Wilhelm C. Frederiksen, Magne Bisgaard: Proposed minimal standards for the description of genera, species and subspecies of the Pasteurellaceae. In: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, Band 57, 2007, S. 166; , PMID 17220461 (). darüber hinausgehende anatomische Beschreibungen existieren nicht.
Alle bekannten Stämme produzieren anaerob signifikante Mengen Bernsteinsäure, Essigsäure und Ameisensäure als Stoffwechselprodukt bei der Gärung. Dabei können sie (anders als viele andere Gattungen der Pasteurellaceae) neben Glucose und Glycerin auch D-Mannitol, D-Mannose, D-Galactose, D-Trehalose, Saccharose und D-Xylose umsetzen. Im Indol-Test reagiert das Bakterium negativ, wodurch ein Nachweis des Enzyms Tryptophanase zur Umsetzung von Tryptophan zu Indol nicht besteht. Auch der Nachweis von Urease zur Spaltung von Harnstoff und der Katalase zum Abbau von Wasserstoffperoxid verläuft negativ. Der Oxidase-Test zum Nachweis des Enzyms Cytochrom-c-Oxidase in der Atmungskette verläuft dagegen positiv, ebenso der Nachweis der Produktion organischer Säuren durch Methylrot.
Isolierung mini|Der erste isolierte Stamm DD1 stammte aus dem Pansen des Holstein-Rinds Der erste Stamm (DD1, benannt nach Dirk Dägele) von Basfia succiniciproducens wurde von Edzard Scholten von der BASF und Dirk Dägele von Vetter Pharma aus dem Pansen des Holstein-Rindes isoliert und auf die Fähigkeit der Bernsteinsäureproduktion untersucht.Edzard Scholten, D. Dägele: Succinic acid production by a newly isolated bacterium. Biotechnology Letters 30 (12), 2008; S. 1243–1246. . Die Isolierung des Bakteriums erfolgte während eines Screenings nach potenziell für die biotechnologische Herstellung von Bernsteinsäure interessanten Bakterien aus dem Pansen des Hausrindes. Dabei wurde gezielt nach Bakterien mit einer maximalen Übereinstimmung mit dem Bakterienstamm MBEL55E (Mannheimia succiniciproducens)P.C. Lee, S.Y. Lee, S.H. Hong, H.N. Chang: Isolation and characterization of a new succinic acid-producing bacterium, Mannheimia succiniciproducens MBEL55E, from bovine rumen. In: Applied Microbiology and Biotechnology, Band 58, 2002, S. 663–668; () gesucht, von dem diese Eigenschaft bereits bekannt war. MBEL55E war 2002 erstmals isoliert, vorgestellt und patentiert worden, ist jedoch bislang nach Angaben von Kuhnert et al. 2009 nicht valide beschrieben.
Für die Erstbeschreibung von Basfia succiniciproducens wurden in der Schweiz von Peter Kuhnert weitere Stämme aus verschiedenen Individuen unterschiedlicher Hausrindrassen isoliert. Dabei handelte es sich um den Typstamm JF4016T (=DSM 22022T =CCUG 57335T) und JF4141 aus dem Simmentaler Fleckvieh, den Stamm JF4136 aus dem Piemonteser Rind, die Stämme JF4134 und JF4142 aus dem Rotbunten Niederungsrind sowie die Stämme JF4213 bis JF4220 aus dem Limousinrind.
Ökologie Basfia succiniciproducens ist ein Bestandteil der Bakterienzusammensetzung im Pansen des Hausrinds (Pansenflora), wobei es bislang im Pansen vom Holstein-Rind, dem Simmentaler Fleckvieh, dem Piemonteser Rind, dem Rotbunten Niederungsrind sowie dem Limousin-Rind nachgewiesen wurde.
Das Bakterium ist fakultativ anaerob und bezieht seine Nahrungsgrundlage aus dem Nahrungsbrei des Kuhmagens: Von der Pansenflora, vor allem den enthaltenen Pilzen, werden die β-glycosidischen Bindungen der Cellulose der Nahrung aufgebrochen. Der so entstehende Traubenzucker (Glucose) dient den Mikroorganismen und damit auch B. succiniciproducens als Substrat, die Produkte des Bakterienstoffwechsels sind in seinem Fall kurzkettige Carbonsäuren, vor allem Bernsteinsäure. Neben der Glucose enthält der Nahrungsbrei zudem Stickstoff, der durch die im Futter enthaltenen Proteine und anderen Stickstoffquellen (Nicht-Protein-Stickstoff, NPN) vorhanden ist. Proteine werden durch die Mikroorganismen im Pansen weitgehend zu Peptiden, Aminosäuren oder Ammoniak gespalten. Diese dienen den Mikroorganismen anschließend als Stickstoffquelle. Die bakteriell produzierte Bernsteinsäure dient wiederum als Energiequelle für weitere Bakterien, die sie zu Propionsäure umsetzen.
B. succiniciproducens produziert weder für das Rind noch für andere Organismen toxische Stoffwechselprodukte und ist auch nicht (opportunistisch) pathogen, entsprechend wird es als normaler Bestandteil der Pansenflora angesehen. Der negative Toxizitätstest führt zu einer Einordnung als nichtgefährlicher Organismus, wodurch das Bakterium technisch uneingeschränkt eingesetzt werden kann.
Taxonomie Benennung Die Bakteriengattung wurde von ihren Erstbeschreibern nach der BASF SE als Basfia benannt. Begründet wurde diese Namensgebung dadurch, dass der erste isolierte Bakterienstamm aus den Labors der BASF in Ludwigshafen am Rhein stammte.„..derived from the chemical company BASF SE in Ludwigshafen, Germany, in reference to the origin of the first strain characterized.“ Kuhnert et al. 2009; S. 7.
Die Artbezeichnung succiniciproducens leitet sich von der Fähigkeit ab, Bernsteinsäure (latein.: acidum succinicum) zu produzieren, übersetzt heißt sie entsprechend „Bernsteinsäure produzierend“.
Phylogenetische Einordnung
Die bei der Isolierung des Bakteriums durchgeführte erste Einordnung in die Pasteurellaceae wurde durch die Erstbeschreibung 2009 bestätigt, als Typusstamm wurde JF4016T definiert. Diese Familie besteht derzeit (2009) aus 13 anerkannten Gattungen mit etwa 60 valide beschriebenen Arten, die vornehmlich aus verschiedenen Wirbeltieren isoliert wurden und dort zur typischen Schleimhautflora gehören; einige Arten sind fakultativ krankheitserregend (opportunistisch pathogen). Neben B. succiniciproducens stammen auch die Arten Mannheimia ruminalis, Actinobacillus lignieresii, [Actinobacillus] succinogenes und Mannheimia succiniproducens aus dem Pansen des Hausrindes, die beiden letzten sind zudem ebenfalls Bernsteinsäureproduzenten.
Basfia succiniciproducens wurde über den Sequenzvergleich in Form einer sogenannten Multi locus sequence analysis (MLSA) der 16S rRNA sowie der Gene rpoB (codiert den β-Abschnitt der RNA-Polymerase), infB (codiert für den Initialfaktor 2 der Translation) und recN (codiert für ein DNA-Reparatur-Protein) innerhalb der Pasteurellaceae eingeordnet. Die Auswahl der Gene erfolgte über bereits im Vorfeld durchgeführte Untersuchungen zur Phylogenie der Pasteurellaceae. Es konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass sämtliche bekannten Stämme von Basfia eine Klade und entsprechend eine monophyletische Gruppe bilden, die auch den als Mannheimia succiniciproducens benannten Stamm MBEL55E einschließt. Die größte Übereinstimmung der Gensequenz ergab sich mit Aggregatibacter actinomycetemcomitans, das entsprechend als Schwesterart angesehen wird; aufgrund des vergleichsweise großen genetischen Abstands beider Arten zueinander mit einer maximalen Übereinstimmung von 95 % sowie der phänotypischen Unterschiede wurde für B.&nbp;succiniciprocens eine eigene Gattung Basfia aufgestellt. Weitere Arten der näheren Verwandtschaft sind Haemophilus influenzae, Lonepinella koalarum und das [Actinobacillus] porcinus.
Technische Bedeutung Aufgrund seiner Fähigkeit, in anaerobem Milieu durch Vergärung Bernsteinsäure und andere C4-Dicarbonsäuren zu produzieren, ist B. succiniciproducens wie andere Bakterien von großem technischen Interesse und wurde vor allem im Labor der BASF für die industrielle Biotechnologie entwickelt. Eine technische Nutzung des Bakteriums wurde zuerst von der BASF in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioverfahrenstechnik der Technischen Universität Braunschweig, wobei der Stoffwechsel des Bakteriums untersucht und mit Hilfe von Metabolic Engineering zur Entwicklung von Produktionsorganismen genutzt werden sollte. Darstellung vom 1. Februar 2010 auf der Website der BIOPRO Baden-Württemberg GmbH. Projektbeschreibung auf der Website des Institutes für Bioverfahrenstechnik. Abgerufen am 21. Februar 2012. BASF und das niederländische Unternehmen Corbion nutzten einen optimierten Stamm von B. succiniciproducens ab 2014 im Rahmen ihres Gemeinschaftsunternehmens Succinity zur kommerziellen Herstellung biobasierter Bernsteinsäure im spanischen Montmeló mit einer Jahreskapazität von 10.000 Tonnen.N.P. Nghiem, S. Kleff, S. Schwegmann: Succinic Acid: Technology Development and Commercialization. Fermentation 3(2), 2017. (). Aufgrund der geringen Absatzzahlen beendeten die Unternehmen ihr Joint Venture allerdings 2019 und stellten die kommerzielle Nutzung des Verfahrens wieder ein.Corbion Annual Report 2019, Jahresabschlussbericht des Unternehmens Corbion für das Jahr 2019, erschienen 2020, S. 24 ().
Seit 2024 untersucht die BASF B. succiniciproducens im Forschungsverbund FUMBIO erneut als industriellen Produktionsorganismus, wobei das Bakterium durch Metabolic Engineering Zucker und Kohlenstoffdioxid zu Fumarsäure als Basis für darauf aufbauende Chemikalien umsetzen soll.Holger Kapp: BASF forscht an CO2-neutraler Herstellung von biobasiertem Fumarat durch Bakterien aus Kuhmagen, BASF Business & Financial News, 6. Juni 2024; abgerufen am 21. September 2026.
Bernsteinsäure als Biotechnologieprodukt mini|Bernsteinsäure