Synthetische Methylotrophen
Bakterien für grüne Chemie
Prof. Dr. Julia Vorholt vom Institut für Mikrobiologie an der ETH Zürich sucht mit ihrem Team nach Möglichkeiten, wie sich der Einsatz fossiler Brennstoffe in der chemischen Industrie verringern ließe. "Weltweit verbraucht sie [die chemische Industrie] 500 Millionen Tonnen pro Jahr, also mehr als eine Million Tonnen pro Tag. Da die chemischen Umwandlungen sehr energieaufwändig sind, ist der CO2-Fußabdruck der chemischen Industrie sogar noch sechs bis zehn Mal größer: Er beläuft sich auf etwa fünf Prozent des gesamten weltweiten Ausstoßes", sagt Julia Vorholt. Im Zentrum ihrer Forschung stehen methylotrophe Bakterien, die einfache Kohlenstoffverbindungen mit einem Kohlenstoffatom wie Methanol für ihr Wachstum und als Energiequelle nutzen können. "Es gibt natürliche Methylotrophe, aber sie industriell zu nutzen, bleibt trotz großem Forschungsaufwand schwierig", sagt Postdoktorand Michael Reiter.
Vorholts Forschungsgruppe arbeitet stattdessen mit dem in der Biotechnologie typischen Modellbakterium Escherichia Coli. Das Team um Vorholt verfolgt schon seit mehreren Jahren die Idee, das Bakterium mit der Fähigkeit auszustatten, Methanol biochemisch zu verwerten. Nach ersten Simulationen mit Computermodellen entfernten sie gezielt zwei Gene und schleusten dafür drei zusätzliche Gene ein. Sie züchteten die Bakterien mehr als ein Jahr unter speziellen Bedingungen im Labor weiter, bis es gelang, dass die Mikroben alle Zellbestandteile aus Methanol herstellen konnten. Im Laufe von rund 1 000 weiteren Generationen wurden diese synthetischen Methylotrophen immer effizienter, so dass sie sich schließlich alle vier Stunden verdoppelten, wenn sie ausschließlich mit Methanol gefüttert wurden. "Die verbesserte Wachstumsrate macht die Bakterien wirtschaftlich interessant", sagt Vorholt.
Wie das Team um Vorholt in einer aktuellen Publikation darlegt, sind mehrere zufällig entstandene Mutationen für die erhöhte Effizienz der Methanol-Verwertung verantwortlich. Die meisten dieser Mutationen führten auch zum Funktionsverlust verschiedener Gene. Dadurch würden überflüssige Kreisläufe vermieden – und die Stoffwechselflüsse in den Zellen optimiert, so die Forschenden. Um das Potenzial der synthetischen Methylotrophen für die biotechnologische Produktion industriell relevanter Massenchemikalien auszuloten, haben Vorholt und ihr Team die Bakterien mit zusätzlichen Genen für vier verschiedene Biosynthesewege "ausgerüstet". In ihrer Studie zeigen sie, dass die Bakterien in allen Fällen die gewünschten Verbindungen herstellten. So könnten die Mikroben eine Art Produktionsplattform sein, in die man sozusagen nach dem "Plug-and-Play"-Prinzip Biosynthesemodule einbauen kann, die die Bakterien dazu veranlassen, Methanol in eine bestimmte Substanz umzuwandeln. Allerdings müssen die Forschenden die Ausbeute und die Produktivität noch erheblich steigern, damit eine wirtschaftlich tragfähige Verwendung der Bakterien möglich werden kann.
Publikation
Reiter, M.A., Bradley, T., Büchel, L.A. et al. A synthetic methylotrophic Escherichia coli as a chassis for bioproduction from methanol. Nature Catalysis (2024). https://doi.org/10.1038/s41929-024-01137-0
Quelle: ETH Zürich
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