Erster Schritt auf dem Weg zur synthetischen CO2-Fixierung in lebenden Zellen
Die synthetische Biologie schafft neue biochemische Wege für die
Umwandlung von Kohlendioxid (CO2). Forscher des Max-Planck-Instituts für
terrestrische Mikrobiologie haben einen synthetischen Zyklus entwickelt,
der aus CO2 den zentralen Baustein Acetyl-CoA generiert. Den Forschern
gelang es, die drei Module des Zyklus jeweils erfolgreich in lebende
Bakterien einzubringen. Die Arbeit ist damit ein bedeutender Schritt zur
Realisierung synthetischer CO2-Fixierungswege im Kontext lebender Zellen.
Die synthetische Biologie bietet einzigartige Möglichkeiten im Hinblick
auf die Bewältigung der weltweiten Klimakrise, indem sie neue
CO2-Fixierungswege zur Abscheidung und Umwandlung von CO2 entwickelt, die
noch effizienter sind als die in der Natur Vorhandenen. Die Anwendung
dieser neuen Wege in verschiedenen in-vitro- und in-vivo-Systemen stellt
jedoch immer noch eine grundlegende Herausforderung dar. Nun konstruierten
Forscherinnen und Forscher in der Gruppe von Tobias Erb einen neuen
synthetischen CO2-Fixierungsweg, den sogenannten THETA-Zyklus. Er
beinhaltet mehrere zentrale Metaboliten als Zwischenprodukte und mit dem
zentralen Baustein Acetyl-CoA als Endprodukt. Diese Eigenschaften
ermöglichen es, ihn in Module zu zerlegen und in den zentralen
Stoffwechsel von E. coli zu integrieren.
Am gesamten THETA-Zyklus sind 17 Biokatalysatoren beteiligt, darunter die
beiden schnellsten bisher bekannten CO2-fixierenden Enzyme: Crotonyl-CoA-
Carboxylase/Reduktase und Phosphoenolpyruvat-Carboxylase
fanden die wirkmächtigen Biokatalysatoren in Bakterien. Obwohl jede der
Carboxylasen CO2 bis zu 10 Mal schneller einfangen kann als Rubisco, das
CO2-fixierende Enzym in Chloroplasten, hat die Evolution selbst diese
fähigen Enzyme nicht als Teil der natürlichen Photosynthese
zusammengebracht.
Der THETA-Zyklus wandelt pro Durchgang zwei Moleküle CO2 in ein Molekül
Acetyl-CoA um. Acetyl-CoA ist ein zentraler Metabolit in fast allen
zellulären Stoffwechselvorgängen und dient als Baustein für eine breite
Palette lebenswichtiger Biomoleküle, darunter Biotreibstoffe,
Biomaterialien und Medikamente. Nach der Konstruktion des Zyklus im
Reagenzglas bestätigten die Forschenden seine Funktionalität. Dann folgte
das Training: Durch rationale Optimierung, unterstützt durch maschinelles
Lernen, konnte das Team in mehreren Versuchsreihen die Ausbeute an Acetyl-
CoA um den Faktor 100 steigern. Um die Funktionalität in vivo zu testen,
sollte der Einbau in die lebende Zelle Schritt für Schritt erfolgen. Zu
diesem Zweck teilten die Forscher den THETA-Zyklus in drei Module auf, von
denen jedes erfolgreich in das Bakterium E. coli eingebaut wurde. Die
Funktionsfähigkeit der Module wurde durch wachstumsgekoppelte Selektion
und/oder Isotopenmarkierung überprüft.
"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", erklärt Shanshan Luo, Hauptautor der
Studie. "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 CO2 wachsen kann",
fügt sie hinzu.
Die Schließung des THETA-Zyklus ist nach wie vor eine große
Herausforderung, da alle 17 Reaktionen mit dem natürlichen Stoffwechsel
von E. coli synchronisiert werden müssen, der von Natur aus Hunderte bis
Tausende von Reaktionen umfasst. Doch die Realisierung des gesamten Zyklus
in vivo sei nicht das einzige Ziel, betont die Forscherin. "Unser Zyklus
hat das Potenzial, eine vielseitige Plattform für die Produktion
wertvoller Verbindungen direkt aus CO2 zu werden, indem wir das
Ausgangsmolekül Acetyl-CoA weiter nutzen", sagt Shanshan Luo.
"Dass es dem Team gelang, Teile des THETA-Zyklus in die Realität
umzusetzen, ist ein wichtiger Grundsatzbeweis für die synthetische
Biologie", sagt Tobias Erb. "Die modulare Umsetzung dieses Zyklus in E.
coli ebnet den Weg zur Realisierung hochkomplexer, orthogonaler,
neuartiger CO2-Fixierungswege in Zellfabriken. Wir lernen gerade, den
zellulären Stoffwechsel komplett neu zu programmieren, um ein
synthetisches autotrophes Betriebssystem für die Zelle zu schaffen."
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Tobias Erb
Direktor Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg +49
6421 178-700
Originalpublikation:
Luo, S.; Diehl, C.; He, H.; Bae, Y.J.; Klose, M.; Claus, P.; Cortina,
N.S.; Fernandez, C. A.; Schulz-Mirbach, H.; McLean, R.; Rojas, A.A.R.;
Schindler, D.; Paczia, N.; Erb, T.J.
Construction and modular implementation of the THETA cycle for synthetic
CO2 fixation.
Nature Catalysis, 20 Dec 2023
