Künstliche Kohlenstoff-Fixierung überholt die Natur

Eine internationale Kooperation hat erstmals gezeigt, dass synthetische Kohlenstoff-Fixierung im lebenden System effizienter arbeiten kann als die Natur. Forschende im Labor von Tobias Erb am Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie bauten einen synthetischen Stoffwechselweg in ein Bakterium ein und zeigten im direkten Vergleich, dass er aus Ameisensäure und CO₂ deutlich mehr Biomasse bilden kann als der natürliche Bakterienstamm.

Die Natur fixiert CO₂ hauptsächlich im sogenannten Calvin-Zyklus, der Teil der Photosynthese ist. Dieser natürliche Fixierungsweg ist jedoch begrenzt, wenn es um die Effizienz geht. Forscher um Tobias Erb haben bereits künstliche Zyklen wie den CETCH oder THETA-Zyklus entwickelt, die effizienter sind als der Calvin-Zyklus der Natur. Im Reagenzglas funktionieren die Wege bereits, in lebenden Organismen konnten sie bisher nur teilweise eingebaut werden.

Auch über physikalisch-chemische Methoden lässt sich CO₂ fixieren, zum Beispiel durch elektrochemische Reduktion von CO₂ zur Ameisensäure mit erneuerbarem Strom. Leider kann man diesen Prozess noch nicht nutzen, um die Ameisensäure zu komplexen Molekülen wie Zuckern oder Proteinen zu verarbeiten, weil der Prozess hier zu ineffizient ist.

Der Aufbau von Biomasse aus C1-Körpern wie Ameisensäure und CO₂ ist allerdings eine Spezialität von Mikroorganismen. Tatsächlich können einige Bakterien auf Ameisensäure wachsen und zahlreiche Produkte erzeugen. Daher entwickeln Forschende derzeit Hybridprozesse, die zunächst CO₂ physikalisch-chemisch in Ameisensäure fixieren und diese dann mikrobiell weiterverarbeiten.
Nachhaltige Hybridlösungen

Da viele Bakterien in der Natur Ameisensäure über den ineffizienten Calvin-Zyklus umsetzen, könnte man über künstliche Alternativen wie den CETCH- Zyklus auch den mikrobiellen Teil dieses Hybridprozesses produktiver machen und die gewünschten Ausgangsprodukte nachhaltiger erzeugen. Aber wären synthetische menschengemachte Wege zur Kohlenstoff-Verarbeitung im direkten Vergleich wirklich effizienter als natürliche?

Um diese Frage zu klären, schickte das Forscherteam den ​“reduktiven Glycinweg” ins Rennen, den effizientesten künstlichen Stoffwechselweg zur Assimilation von Ameisensäure. Um zu zeigen, dass er natürliche Kohlenstofffixierung vertreten durch den Calvin-Zyklus energetisch überbieten kann, wählten sie das nicht-phototrophe Bakterium Cupriavidus necator, das den Calvin-Zyklus zur Umsetzung von Ameisensäure nutzt. Bereits 2020 war es einem der Kooperationspartner, Dr. Nico Claassens von der Universität Wageningen, gelungen, den reduktiven Glycinweg in diesen Organismus einzubringen, jedoch waren die Wachstumsraten und vor allem der Biomasseertrag, der die Stoffwechsel-Effizienz wiederspiegelt, niedriger als im unveränderten Bakterium.
Optimierung mittels Labor-Evolution

In der neuen Studie übertrug das Forscherteam den kompletten reduktiven Glycinweg in das Genom des Bakteriums, doch diesmal optimierten sie die Effizienz des Weges. Mobile DNA-Elemente, die sich zufällig im Genom einbauen können, beluden sie mit den Teilen des Stoffwechselweges. Dann optimierten sie die Genomveränderung mittels Labor-Evolution auf das Wachstum auf Ameisensäure hin und verstärkten so seine Effizienz. ​„Zellen, bei denen die Gene des reduktiven Glycinweges günstig zueinander eingebaut und abgelesen wurden, wuchsen besser als andere Zellen und wurden von uns weiter selektiert, bis ihre Produktion nahe am physiologischen Optimum lag“ erklärt Dr. Beau Dronsella, Erstautor der Studie, die im Fachblatt Nature Microbiology erschien.

Im anschließenden Bioreaktor-Vergleich bildete der künstlich veränderte und optimierte Stamm signifikant mehr Biomasse aus Ameisensäure und CO₂ als der natürliche Bakterienstamm. Die Forscher messen sogar höhere Biomasseerträge als bei allen vergleichbaren Organismen, die den Calvin-Zyklus oder synthetische Wege zur Verwertung von Ameisensäure nutzen. Allerdings war der künstlich veränderte Stamm nur halb so schnell wie der natürliche.

The artificially modified and optimized strain was able to produce significantly more biomass from formic acid and CO₂ than the natural bacterial strain. The researchers even measured higher biomass yields than any previously recorded formic acid-based biomass production by organisms using either the Calvin cycle or synthetic pathways. However, the artificially modified strain was only half as fast as the natural one.

Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, dass sich durch adaptive Laborevolution auch diese Lücke verringern lässt. Der Nachweis, dass die synthetische Biologie tatsächlich effizienter im biotechnologischen Rahmen genutzt werden kann, um Kohlenstoff zu fixieren, ist nicht nur für den hier beschriebenen reduktiven Glycinweg relevant, sondern für viele der skizzierten künstlichen Stoffwechselwege. ​„Unser Ergebnis birgt viel Potential für die nachhaltige Bioproduktion aus Ameisensäure und könnte auch bereits etablierte Bioproduktionen noch effizienter machen,“ sagt Beau Dronsella. ​“Auch könnte man Ameisensäure, ähnlich wie Wasserstoff, als chemischen Energieträger nutzen, um in Zukunft Überschüsse erneuerbarer Energien zu speichern und für Bioproduktionen zu verwenden.” Für Tobias Erb ist die Studie ein bedeutender Schritt für das junge Feld der synthetischen Biologie: ​„Es ist faszinierend, dass wir mithilfe der synthetischen Biologie innerhalb weniger Jahre neue Lösungen entwerfen können, die effizienter funktionieren als das, was sich in der Natur über Milliarden Jahre entwickelte.“