Formiat kann als Rückgrat einer klimaneutralen Bioökonomie betrachtet werden. Es wird aus CO₂ mittels (elektro)chemischer Verfahren hergestellt und durch enzymatische Kaskaden oder gentechnisch veränderte Mikroorganismen in Wertprodukte umgewandelt. Ein wichtiger Schritt zur Ausweitung der Assimilation von synthetischem Formiat ist seine thermodynamisch komplexe Reduktion von Formaldehyd, die hier als Gelbfärbung sichtbar wird. Bildnachweis: Institut für Terrestrische Mikrobiologie Max Planck/Geisel.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts haben einen synthetischen Stoffwechselweg entwickelt, der Kohlendioxid mithilfe von Ameisensäure in Formaldehyd umwandelt und damit eine klimaneutrale Methode zur Herstellung wertvoller Materialien bietet.
Neue anabole Stoffwechselwege zur Kohlendioxidfixierung tragen nicht nur zur Reduzierung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre bei, sondern können auch die traditionelle chemische Produktion von Arzneimitteln und Wirkstoffen durch klimaneutrale biologische Prozesse ersetzen. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen ein Verfahren, mit dem Ameisensäure zur Umwandlung von Kohlendioxid in ein für die biochemische Industrie wertvolles Material genutzt werden kann.
Angesichts des Anstiegs der Treibhausgasemissionen ist die Kohlenstoffbindung bzw. die Abscheidung von Kohlendioxid aus großen Emissionsquellen ein dringendes Problem. In der Natur findet die Aufnahme von Kohlendioxid seit Millionen von Jahren statt, doch ihre Kapazität reicht bei Weitem nicht aus, um die anthropogenen Emissionen zu kompensieren.
Forscher um Tobias Erb vom Institut für Terrestrische Mikrobiologie Max Planck nutzen natürliche Werkzeuge, um neue Methoden zur Kohlendioxidfixierung zu entwickeln. Ihnen ist es nun gelungen, einen künstlichen Stoffwechselweg zu entwickeln, der aus Ameisensäure hochreaktives Formaldehyd erzeugt – ein mögliches Zwischenprodukt der künstlichen Photosynthese. Formaldehyd kann direkt in verschiedene Stoffwechselwege eingeleitet werden, um andere wertvolle Substanzen ohne toxische Wirkungen zu bilden. Wie bei einem natürlichen Prozess werden zwei Hauptbestandteile benötigt: Energie und Kohlenstoff. Energie kann nicht nur durch direktes Sonnenlicht, sondern auch durch Elektrizität – beispielsweise Solarmodule – bereitgestellt werden.
In der Wertschöpfungskette sind die Kohlenstoffquellen vielfältig. Kohlendioxid ist nicht die einzige Option; es geht um alle einzelnen Kohlenstoffverbindungen (C1-Bausteine): Kohlenmonoxid, Ameisensäure, Formaldehyd, Methanol und Methan. Fast alle diese Substanzen sind jedoch hochgiftig, sowohl für Lebewesen (Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Methanol) als auch für die Umwelt (Methan als Treibhausgas). Nur nachdem Ameisensäure zu ihrem basischen Formiat neutralisiert wurde, tolerieren viele Mikroorganismen hohe Konzentrationen davon.
„Ameisensäure ist eine vielversprechende Kohlenstoffquelle“, betont Maren Nattermann, Erstautorin der Studie. „Ihre Umwandlung zu Formaldehyd in vitro ist jedoch sehr energieintensiv.“ Das liegt daran, dass Formiat, das Salz des Formiats, nicht ohne Weiteres in Formaldehyd umgewandelt werden kann. „Zwischen diesen beiden Molekülen besteht eine erhebliche chemische Barriere, die wir mithilfe biochemischer Energie – ATP – überwinden müssen, bevor eine eigentliche Reaktion stattfinden kann.“
Ziel der Forscher war es, einen energieeffizienteren Weg zu finden. Denn je weniger Energie für die Zufuhr von Kohlenstoff in den Stoffwechsel benötigt wird, desto mehr Energie steht für Wachstum oder Produktion zur Verfügung. In der Natur gibt es einen solchen Weg jedoch nicht. „Die Entdeckung sogenannter Hybridenzyme mit mehreren Funktionen erforderte einiges an Kreativität“, sagt Tobias Erb. „Die Entdeckung von Enzymkandidaten ist aber erst der Anfang. Wir sprechen hier von Reaktionen, die man nur zählen kann, weil sie so langsam ablaufen – in manchen Fällen findet weniger als eine Reaktion pro Sekunde und Enzym statt. Natürliche Reaktionen können tausendmal schneller ablaufen.“ Hier kommt die synthetische Biochemie ins Spiel, erklärt Maren Nattermann: „Kennt man die Struktur und den Mechanismus eines Enzyms, weiß man, wo man ansetzen muss. Das hat sich als äußerst hilfreich erwiesen.“
Die Optimierung von Enzymen umfasst verschiedene Ansätze: den Austausch spezialisierter Bausteine, die Erzeugung zufälliger Mutationen und die Kapazitätsselektion. „Sowohl Formiat als auch Formaldehyd eignen sich sehr gut, da sie Zellwände durchdringen können. Wir können Formiat dem Zellkulturmedium zusetzen, wodurch ein Enzym entsteht, das das entstehende Formaldehyd nach einigen Stunden in einen ungiftigen gelben Farbstoff umwandelt“, erklärte Maren. Nattermann erläuterte dies.
Ergebnisse in so kurzer Zeit wären ohne den Einsatz von Hochdurchsatzmethoden nicht möglich gewesen. Dafür kooperierten die Forscher mit dem Industriepartner Festo in Esslingen. „Nach rund 4.000 Variationen konnten wir unsere Ausbeute vervierfachen“, sagt Maren Nattermann. „Damit haben wir die Grundlage für das Wachstum des Modellorganismus E. coli, dem mikrobiellen Arbeitspferd der Biotechnologie, auf Ameisensäure geschaffen. Allerdings können unsere Zellen derzeit nur Formaldehyd produzieren und sich nicht weiter transformieren.“
In Zusammenarbeit mit Sebastian Wink vom Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie entwickeln Forscher des Max-Planck-Instituts derzeit einen Bakterienstamm, der Zwischenprodukte aufnehmen und in den zentralen Stoffwechsel einschleusen kann. Parallel dazu forscht das Team mit einer Arbeitsgruppe am Institut für Chemische Energieumwandlung des Max-Planck-Instituts unter der Leitung von Walter Leitner an der elektrochemischen Umwandlung von Kohlendioxid in Ameisensäure. Langfristiges Ziel ist eine universelle Plattform zur Herstellung von Produkten wie Insulin oder Biodiesel aus elektrobiochemischem Kohlendioxid.
Referenz: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu: „Entwicklung einer neuen Kaskade zur Umwandlung von phosphatabhängigem Formiat zu Formaldehyd in vitro und in vivo“, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez und Tobias J. Erb, 9. Mai 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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