Ein jüngst durchgeführtes Bioreaktor-Experiment am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie hat bahnbrechende Ergebnisse zur Nutzung des Bakteriums Cupriavidus necator geliefert. Das Experiment zeigt, dass ein optimierter, synthetischer Stoffwechselweg, der Ameisensäure und CO₂ verwendet, signifikant mehr Biomasse produziert als der natürliche Bakterienstamm. Diese Förderungen zur Biomasseproduktion sind Teil einer internationalen Studie, die unter der Leitung von Tobias Erb steht und heute in der Fachzeitschrift Nature Microbiology veröffentlicht wurde. Hier kommt die synthetische Biologie ins Spiel, die darauf abzielt, künstliche, effizientere Wege zur Kohlenstoff-Fixierung zu entwickeln berichtete die MPG.
Die herkömmliche CO₂-Fixierung bei Mikroorganismen erfolgt vorwiegend über den Calvin-Zyklus, welcher in seiner Effizienz eingeschränkt ist. Alternative Methoden wie die synthetischen Zyklen CETCH und THETA zielen darauf ab, schneller und effektiver Kohlenstoff zu binden. Obwohl diese Zyklen vielversprechend sind, konnten sie bisher nur teilweise in lebenden Organismen integriert werden. Visionen über Möglichkeiten, CO₂ mit physikalisch-chemischen Methoden in komplexe Moleküle umzuwandeln, konnten bislang nicht realisiert werden berichtet die Uni Marburg.
Effiziente Umgestaltung des Metabolismus
In der aktuellen Studie wurde der gesamte reduzierte Glycinweg in das Genom von Cupriavidus necator eingebracht und optimiert. Zuvor hatte eine Implementierung im Jahr 2020 nur zu geringeren Wachstumsraten geführt. Die jüngsten Anpassungen mithilfe mobiler DNA-Elemente haben jedoch signifikante Fortschritte in der Effizienz des Stoffwechselweges bewirkt. Dies zeigt das Potenzial für eine nachhaltige Bioproduktion aus Einstiegsmaterialien wie Ameisensäure, die wiederum möglicherweise als chemischer Energieträger zur Speicherung erneuerbarer Energien genutzt werden kann. Der optimierte Stamm produzierte im Vergleich zum natürlichen Stamm zwar erheblich mehr Biomasse, doch das Wachstum war langsamer ergänzt PubMed.
In der Studie haben die Forscher ebenfalls die Glycin-Akquisition effizient umgestaltet. Dies verband die Biosynthese von Glycin mit der Assimilation, wodurch der Calvin-Zyklus von Cupriavidus necator durch den synthetischen Weg ersetzt wurde, was zu einem Wachstum mit dem Einsatz von Formiat führte. Dabei konnte eine Endprodukt-Akkumulation von 2,6 gCDW pro Mole Formiat erreicht werden, was nahezu an die Produktion des Wildtyps mit Calvin-Zyklus (2,9 gCDW pro Mole Formiat) herankam. Weitere Optimierungen stehen in Aussicht, um die Entwicklung einer Formiat-Bioökonomie voranzutreiben.
Der Weg zu nachhaltiger Bioproduktion
Die Entdeckungen dieser Studien sind vielversprechend, da sie aufzeigen, wie effizienter Stoffwechsel in Mikroorganismen zu einer nachhaltigen Produktion beitragen kann. Die Idee, CO₂ nicht nur zu fixieren, sondern es effektiv in Biomasse umzuwandeln, könnte nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit bestehender Bioproduktionen steigern, sondern auch neue Technologien in der Biotechnologie etablieren. Der Fortschritt in der synthetischen Biologie könnte somit einen bedeutenden Einfluss auf die ökologischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts und den globalen Kohlenstoffkreislauf haben.
Zusammenfassend repräsentiert diese Forschungsarbeit einen signifikanten Schritt in der synthetischen Biologie, eine Disziplin, die darauf abzielt, effizientere und nachhaltigere Wege zur Kohlenstoff-Fixierung und damit zur Verringerung von Treibhausgasen zu entwickeln unterstreicht die Uni Marburg.
