Synthetische Biologie: Forschung arbeitet an Zellen mit künstlicher Fixierung von Kohlendioxid

Beim Umgang mit der Klimakrise gibt es zwei wichtige Ansatzpunkte. Am bedeutsamsten ist sicherlich die Reduzierung der CO2-Emissionen. Aber ein weiterer Baustein ist das Entfernen von bereits emittiertem CO2 aus der Atmosphäre. Die synthetische Biologie bietet hier einzigartige Möglichkeiten. Einem Team des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie haben nun einen synthetischen Zyklus entwickelt, mit dessen Hilfe aus Kohlendioxid der zentrale Baustein Acetyl-CoA gemacht werden kann. Der Zyklus hat drei Module, die allesamt in lebende Bakterien eingebracht werden konnten.

Bild: MPI f. terrestrische Mikrobiologie/ Geisel

Neuer Zyklus arbeitet effizienter als die Natur

Mit Hilfe der synthetischen Biologie können neue Kohlendioxid-Fixierungswege zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid entwickelt werden, die im Ergebnis noch effizienter sind als die, die bereits in der Natur vorhanden sind. Allerdings stellt die Anwendung dieser Wege auch weiterhin eine Herausforderung dar. Forscher:innen rund um Tobias Erb vom Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie haben einen neuen synthetischen Weg zur Kohlendioxidfixierung konstruiert. Diesen bezeichnen sie als Theta-Zyklus, und an seinem Ende steht der zentrale Baustein Acetyl-CoA.

Insgesamt sind 17 Biokatalysatoren an diesem Theta-Zyklus beteiligt. Unter anderem gehören die beiden schnellsten bisher bekannten Kohlendioxid-fixierenden Enzyme zu diesen Katalysatoren: Crotonyl-CoA-Carboxylase/Reduktase und Phosphoenolpyruvat-Carboxylase.

Pro Durchgang werden in dem Zyklus zwei Moleküle Kohlendioxid in ein Molekül Acetyl-CoA umgewandelt. Dabei handelt es sich um einen zentralen Metabolit in nahezu allen zellilären Stoffwechselvorgängen. Das Molekül dient als Baustein für zahlreiche lebenswichtige Biomoleküle wie Biomaterialien, Medikamente und Biotreibstoffe.

Schließung des Zyklus als nächste Herausforderung

Den Forscher:innen gelang es durch von maschinellem Lernen unterstützter rationaler Optimierung, die Ausbeute des Zyklus in mehreren Versuchsreihen um den Faktor 100 zu steigern. Dann ging es an den Test in vivo: Das Team teilte den Theta-Zyklus in drei Module und konnten jedes dieser Module erfolgreich in das Bakterium E.coli einbauen. Das Besondere an diesem Zyklus ist, dass er mehrere Zwischenprodukte enthält, die als zentrale Metaboliten im Stoffwechsel des Bakteriums dienen. Diese Überlappung bietet die Möglichkeit, einen modularen Ansatz für seine Umsetzung zu entwickeln. Wir konnten die Funktionalität der drei einzelnen Module in E. coli nachweisen. Allerdings ist es uns noch nicht gelungen, den gesamten Zyklus zu schließen, so dass E. coli vollständig mit Kohlendioxid wachsen kann„, so Shanshan Luo, Erstautorin der Studie.

Diese Schließung des Zyklus stellt demnach nach wie vor eine Herausforderung da. Alle 17 Reaktionen müssen dafür mit dem natürlichen Stoffwechsel von E.coli synchronisiert werden. Dieser umfasst von Natur aus Tausende von Reaktionen. „Unser Zyklus hat das Potenzial, eine vielseitige Plattform für die Produktion wertvoller Verbindungen direkt aus Kohlendioxid zu werden, indem wir das Ausgangsmolekül Acetyl-CoA weiter nutzen„, erläutert Shanshan Luo. Tobias Erb fügt hinzu: „Dass es dem Team gelang, Teile des Theta-Zyklus in die Realität umzusetzen, ist ein wichtiger Grundsatzbeweis für die synthetische Biologie. Die modulare Umsetzung dieses Zyklus in E. coli ebnet den Weg zur Realisierung hochkomplexer, orthogonaler, neuartiger Kohlendioxid-Fixierungswege in Zellfabriken. Wir lernen gerade, den zellulären Stoffwechsel komplett neu zu programmieren, um ein synthetisches autotrophes Betriebssystem für die Zelle zu schaffen.“

via Max-Planck-Gesellschaft