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. Die Forscher
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 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.

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

Ein Pokémon-Kostüm, eine Digitaluhr, eine blaue Perücke und ein ferngesteuertes Auto: Diese und 96 weitere Wünsche haben FH-Beschäftigte gekauft, weihnachtlich verpackt und dem Dortmunder Flüchtlingshilfeverein „Train of Hope“ übergeben.

„Geschenkeschlitten“ heißt die Aktion, die an der Fachhochschule Dortmund in der Vorweihnachtszeit einen festen Platz hat. Dafür haben Mitarbeitende von „Train of Hope“ wie jedes Jahr Wünsche von Kindern mit Zuwanderungsgeschichte gesammelt. Das Organisations- und Perspektivmanagement (O-PEM) der FH Dortmund hat diese Wünsche hochschulweit ausgeschrieben und alle Beschäftigten, die mitmachen wollten, haben sich einen oder mehrere Wünsche ausgesucht und erfüllt. Nach wenigen Tagen bereits hatte sich für jeden Wunsch jemand gemeldet.

Am Dienstag, 19. Dezember 2023, nahmen Mitarbeitende des Vereins „Train of Hope“ am FH-Standort am Max-Ophüls-Platz die Geschenke in Empfang. Der Verein wird die Geschenke in den kommenden Tagen an die Kinder verteilen.

Die Technische Universität Braunschweig beteiligte sich mit Flugzeug-
Messungen an der internationalen Windenergie-Messkampagne AWAKEN in den
USA. Die Klaus-Tschira-Stiftung ermöglichte es, dass das TU-
Forschungsflugzeug, eine Cessna F406, Ende August den Überführungsflug in
die USA antrat und bei einem groß angelegten Experiment in den Great
Plains die Nachläufe von Windparks vermessen konnte. Untersucht wird, wie
schnell sich der Wind hinter Windparks an Land wieder erholt.

Ziel der Messkampagne war die Untersuchung der Nachlaufströmungen hinter
großen Windparks an Land,. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden verschiedene
Messgeräte an und um die Windkraftanlagen eingesetzt, wie z.B. Laser und
Radargeräte zur Bestimmung der Windströmung. Die Flugzeug-Messungen
ergänzen diese Dauermessungen in Bereichen, an denen keine Daten verfügbar
sind. Sie können flexibel an die Bedingungen wie die Windrichtung
angepasst werden.

Größerer Einfluss des Geländes

Im Vergleich zu den Messungen über der Nordsee ist der Einfluss von dem
Gelände viel größer. Auch wenn die Great Plains flach sind, fällt das
Gelände nach Osten ab, was besondere Windphänomene hervorruft. Außerdem
erwärmt sich der Boden tagsüber stark und kühlt nachts aus, wodurch
tagsüber starke Turbulenz auftritt, die zu einer schnellen Erholung der
Windgeschwindigkeit führt.

Gestartet ist das Forschungsflugzeug D-ILAB am 22. August 2023 vom
Flughafen Braunschweig-Wolfsburg. Zielort waren die Great Plains in
Oklahoma, USA, um an der Messkampagne im Rahmen des internationalen
Projekts AWAKEN teilzunehmen. Während der fünfwöchigen Messkampagne
erfassten die Braunschweiger Wissenschaftler in systematischen Flügen auf
Nabenhöhe die Ausprägung der Windpark-Nachläufe in verschiedenen
Abständen. Die TU Braunschweig hatte mit dem Institut für Flugführung
bereits in den vergangenen Jahren wichtige Daten bei der Befliegung von
Offshore Windkraftanlagen in der Deutschen Bucht sammeln können.

Logistische und fliegerische Herausforderungen auf der Nordroute

Die Piloten Maik Angermann, Thomas Feuerle und Matthias Cremer überführten
das Flugzeug in etwas mehr als drei Tagen über die sogenannte Nordroute
über den Atlantik gen Westen. Der Ferry-Flug bestand aus insgesamt sieben
einzelnen Flügen. Die Zwischenstopps wurden zum Tanken, Pilotenwechsel und
für die Übernachtung der Crew genutzt. Auf dem ersten Stopp in Wick,
Schottland, wurde die notwendige Überlebensausrüstung aufgenommen,
bestehend aus einer Rettungsinsel und Trockenanzügen. Nach diesem
Zwischenstopp ging es weiter nach Reykjavik in Island. Am zweiten Tag
setzte die Crew die Reise nach Narsarsuaq in Grönland und Goosebay in
Kanada fort. In Kanada wurde die Überlebensausrüstung wieder abgegeben. Am
dritten Tag folgte der Weiterflug in die Vereinigten Staaten mit
Zwischenlandungen in Burlington in Vermont und Fort Wayne in Indiana zum
Zielort Enid-Woodring im US-Bundestaat Oklahoma. In Oklahoma traf die Crew
aus Braunschweig auf die Wissenschaftler und Flugmessingenieure Konrad
Bärfuss, Jonas Füllgraf und Mark Bitter.

Anschließend wurde das Flugzeug für die Messaufgabe vorbereitet. Der
Nasenmast, der dazu dient, atmosphärische Parameter zu erfassen, wurde bei
der Überführung im Flugzeug transportiert und musste in den USA wieder
montiert werden. Nach einer weiteren Inspektion der örtlichen
Luftfahrtbehörde fanden erste Erkundungsflüge statt.

Wichtige meteorologische Daten in 50 Flugmessstunden

In Absprache mit internationalen Wissenschaftlern wurden Flugprofile
geplant und auf die vorherrschende Wettersituation angepasst. Zusätzlich
wurden regelmäßig sogenannte Profile geflogen, also Steig- und Sinkflüge
von möglichst niedriger Höhe bis etwa 1000 Meter Höhe, um die Verteilung
von Temperatur und Wind mit der Höhe zu erfassen. Insbesondere der
Temperaturverlauf mit der Höhe gibt Aufschluss darüber, wie stark die
Atmosphäre durchmischt ist, so dass Windpark-Nachläufe schnell abgebaut
werden.

Am stärksten ausgeprägt sind die Windpark-Nachläufe in der Nacht und in
den frühen Morgenstunden. Daher fanden die Flüge kurz nach Sonnenaufgang
statt.

„Bis Ende September wurden insgesamt 50 Flugmessstunden geflogen und eine
Vielzahl wichtiger meteorologischer Daten aufgezeichnet“, sagt Pilot Maik
Angermann. Diese Datensätze wurden täglich auf einem Server in der Heimat
gesichert. Während es in den USA nachts war und die Crew erholsam schlief,
konnten durch die Zeitverschiebung wissenschaftliche Mitarbeiter*innen
tagsüber auf der anderen Seite des Atlantiks erste Analysen der Messdaten
durchführen. Die Erkenntnisse daraus wurden am Folgetag direkt bei der
Flugplanung berücksichtigt. Am 3. Oktober 2023 setzte die Crew gesund und
munter mit der D-ILAB wieder in Braunschweig auf.

Die Daten werden in den kommenden Monaten und Jahren am Institut für
Flugführung analysiert, um die Erholung der Windgeschiwndigkeit hinter
Onshore-Windparks zu bestimmen. Außerdem stehen die Daten den
internationalen Forschungsteams zur Verfügung. Insbesondere sind die Daten
wichtig, um Modellrechnungen zu prüfen und Modelle zu verbessern.