Synthetischer Stoffwechselweg zur nachhaltigen Nutzung von Kohlendioxid

Barbara Schick,

Mit Ameisensäure zur CO2-Neutralität?

Neue, synthetische Stoffwechselwege zur CO2-Fixierung könnten zukünftig nicht nur dazu beitragen, den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu senken, sie könnten auch zur Wirkstoffherstellung statt traditioneller Herstellungsverfahren von Pharmazeutika genutzt werden. Eine Studie zeigt auf, wie CO2 über das Zwischenprodukt Formiat zu einem industriellen Wertstoff werden kann.

Angesichts steigender Treibhausgasemissionen ist "Carbon Capture", die Abscheidung von Kohlendioxid (CO₂) aus Emissionsquellen, ein wichtiges Thema. In der Natur findet die CO2-Assimilierung seit Jahrmillionen statt, doch reicht ihr Potenzial längst nicht mehr aus, um menschengemachte Emissionen zu kompensieren. Forschende um Prof. Dr. Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie nutzen den Baukasten der Natur, um neue Wege der CO2-Fixierung zu entwickeln. Ihnen ist es gelungen, einen künstlichen Stoffwechselweg zu entwickeln, über den aus Ameisensäure als möglichem Zwischenprodukt der künstlichen Photosynthese das hochreaktive Formaldehyd entsteht. Dieses lässt sich unmittelbar und ohne toxische Wirkung direkt in mehrere Stoffwechselwege einspeisen, um weitere Wertstoffe bilden zu können. Die Energie, die für natürliche Prozesse das Sonnenlicht liefert, kann auch als Strom bereitgestellt werden – zum Beispiel aus Solarmodulen.

C1-Baustein mit Zukunftspotenzial

Innerhalb der Wertschöpfungskette ist die Kohlenstoffquelle variabel. Hier kommt nicht nur CO2 in Frage, sondern auch andere Kohlenstoffverbindungen mit nur einem Kohlenstoffatom (C1-Bausteine) wie CO (Kohlenmonoxid), Ameisensäure, Formaldehyd, Methanol und Methan. Allerdings sind die meisten dieser Substanzen für Lebewesen hochgiftig. Das Salz der Ameisensäure, Formiat, wird allerdings von zahlreichen Mikroorganismen in hohen Konzentrationen toleriert.

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"Ameisensäure ist eine Kohlenstoffquelle mit Zukunft", betont Dr. Maren Nattermann, Erstautorin der Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications erschien. "Aber die Umwandlung zu Formaldehyd im Reagenzglas war bisher recht energieaufwändig." Denn das Salz der Ameisensäure, Formiat, lässt sich nicht ohne weiteres in Formaldehyd umwandeln. "Es gibt eine gravierende chemische Barriere zwischen den beiden Molekülen, die wir durch biochemische Energie – ATP – überbrücken müssen, bevor wir die eigentliche Reaktion durchführen können."

Das Ziel der Forscherin war es, einen sparsameren Weg zu finden. Denn je weniger Energie es braucht, um Kohlenstoff in den Metabolismus einzuspeisen, desto mehr Energie verbleibt, um Wachstum oder Produktion voranzutreiben. "Es braucht Kreativität, um sogenannte promiskuitive Enzyme mit mehreren Funktionen zu entdecken", sagt Professor Erb. "Die Entdeckung der Enzymkandidaten ist jedoch nur der Anfang. Wir reden hier von Reaktionen, bei denen man mitzählen kann, weil sie so langsam sind – teilweise pro Enzym weniger als eine Reaktion pro Sekunde. Natürliche Reaktionen schaffen auch schon mal das Tausendfache."

Hier komme dann die synthetische Biochemie ins Spiel, so Maren Nattermann: "Wenn man Enzymstruktur und -mechanismus kennt, weiß man, wo einzugreifen ist, um es anzupassen. An diesem Punkt profitieren wir maßgeblich von Vorarbeiten aus der Grundlagenforschung."

Hochdurchsatz-Technologie beschleunigt die Enzym-Optimierung

Ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der synthetischen Assimilation von Formiat ist die thermodynamisch schwierige Reduktion zu Formaldehyd, hier als gelber Farbumschlag sichtbar. © Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Geisel

Die Verbesserung der beteiligten Enzyme gelang durch die Kombination mehrerer Ansätze: Einerseits wurden Bausteine gezielt ausgetauscht (gezielte Mutagenese), andererseits zufällig Mutationen erzeugt und auf Tauglichkeit selektiert (semi-rationale Mutagenese). "Formiat und Formaldehyd sind hier wunderbar geeignet, da sie durch Zellwände dringen. Wir können Formiat in das Nährmedium von Zellen geben, die unsere Enzyme bilden, und nach ein paar Stunden den produzierten Formaldehyd in einen ungiftigen gelben Farbstoff umwandeln", erklärt Maren Nattermann.

Ohne den Einsatz von Hochdurchsatzverfahren wäre das Ergebnis in so kurzer Zeit nicht möglich gewesen. Dafür kooperierten die Forschenden mit dem Industriepartner Festo SE & Co. KG mit Sitz in Esslingen. "Nach etwa 4 000 Varianten erzielten wir eine vierfache Verbesserung der Produk tion", sagt Maren Nattermann. "Damit haben wir die Grundlage geschaffen, den Modellorganismus E.coli, das mikrobielle Arbeitspferd der Biotechnologie, auf Ameisensäure wachsen zu lassen. Allerdings können unsere Zellen Formaldehyd vorerst nur produzieren, nicht weiter umsetzen."

Mit Kollaborationspartner Dr. Sebastian Wenk am MPI für molekulare Pflanzenphysiologie arbeiten die Forschenden an der Entwicklung eines Stamms, der die Zwischenprodukte aufnehmen und in den zentralen Metabolismus einschleusen kann. Parallel dazu forscht das Team mit einer Arbeitsgruppe am MPI für Chemische Energiekonversion unter Leitung von Prof. Dr. Walter Leitner an der elektochemischen Umwandlung von CO2 zu Ameisensäure. Das langfristige Ziel ist eine All-in-one-Plattform – von CO2 über ein elektrobiochemisches Verfahren hin zu Produkten wie Insulin oder Biodiesel.

Publikation:
Nattermann, M., Wenk, S., Pfister, P., He, H., Lee, S.H., Szymanski, W., Guntermann, N., Zhu, F., Nickel, L., Wallner, Ch., Zarzycki, J., Paczia, N., Gaißert, N., Franciò, G., Leitner, W., Gonzalez, R., Erb, T. J.: Engineering a new-to-nature cascade for phosphate-dependent formate to formaldehyde conversion in vitro and in vivo. Nature Communications 14, 2682 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38072-w

Quelle: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

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