{"id":97639,"date":"2024-02-21T10:42:47","date_gmt":"2024-02-21T09:42:47","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=97639"},"modified":"2024-03-04T14:30:45","modified_gmt":"2024-03-04T13:30:45","slug":"erfolg-auf-weg-zur-kuenstlichen-fotosynthese","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/erfolg-auf-weg-zur-kuenstlichen-fotosynthese\/","title":{"rendered":"Erfolg auf Weg zur k\u00fcnstlichen Fotosynthese"},"content":{"rendered":"\n

Erster Schritt auf dem Weg zur synthetischen CO2-Fixierung in lebenden Zellen – Drei Module, die einen in der Natur neuartigen CO2<\/sub>-Fixierungszyklus bilden, funktionieren auch in E.coli<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Der Chemiker Tobias Erb vom Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie in Marburg<\/a> hat die Fotosynthese k\u00fcnstlich nachgebaut. Seine Sch\u00f6pfung ist ein erster Schritt auf dem Weg zur synthetischen CO2<\/sub>-Fixierung in lebenden Zellen, zehnmal effizienter als die Natur und k\u00f6nnte helfen, das Treibhausgas CO2<\/sub> aus der Atmosph\u00e4re zu holen. Die synthetische Biologie schafft neue biochemische Wege f\u00fcr die Umwandlung von CO2<\/sub>. In einem synthetischen Zyklus wird aus CO2<\/sub> der zentrale Baustein Acetyl-CoA generiert. Den ForscherInnen gelang es, die drei Module des Zyklus jeweils erfolgreich in lebende Bakterien einzubringen. Die Arbeit ist damit ein bedeutender Schritt zur Realisierung synthetischer CO2<\/sub>-Fixierungswege im Kontext lebender Zellen.<\/p>\n\n\n\n

Die synthetische Biologie bietet einzigartige M\u00f6glichkeiten im Hinblick auf die Bew\u00e4ltigung der weltweiten Klimakrise, indem sie neue CO2<\/sub>-Fixierungswege zur Abscheidung und Umwandlung von CO2<\/sub> entwickelt, die noch effizienter sind als die in der Natur Vorhandenen. Die Anwendung dieser neuen Wege in verschiedenen in-vitro<\/em>\u2013 und in-vivo<\/em>-Systemen stellt jedoch immer noch eine grundlegende Herausforderung dar. Nun konstruierten ForscherInnen in der Gruppe von Erb einen neuen synthetischen CO2<\/sub>-Fixierungsweg, den sogenannten THETA-Zyklus. Er beinhaltet mehrere zentrale Metaboliten als Zwischenprodukte und den zentralen Baustein Acetyl-CoA als Endprodukt. Diese Eigenschaften erm\u00f6glichen es, den Zyklus in Teilmodule zu zerlegen und diese in den zentralen Stoffwechsel vonEscherichia coli zu integrieren.<\/p>\n\n\n\n

Am gesamten THETA-Zyklus sind 17 Biokatalysatoren beteiligt, darunter die beiden schnellsten bisher bekannten CO2<\/sub>-fixierenden Enzyme: Crotonyl-CoA-Carboxylase\/Reduktase und Phosphoenolpyruvat-Carboxylase. Die Forschenden fanden die wirkm\u00e4chtigen Biokatalysatoren in Bakterien. Obwohl jede der Carboxylasen CO2<\/sub> bis zu 10 Mal schneller einfangen kann als Rubisco, das CO2<\/sub>-fixierende Enzym in Chloroplasten, brachte die Evolution selbst diese f\u00e4higen Enzyme nicht als Teil der nat\u00fcrlichen Photosynthese zusammen.<\/p>\n\n\n\n

Der THETA-Zyklus wandelt pro Durchgang zwei Molek\u00fcle CO2<\/sub> in ein Molek\u00fcl Acetyl-CoA um. Acetyl-CoA ist ein zentraler Metabolit in fast allen zellul\u00e4ren Stoffwechselvorg\u00e4ngen und dient als Baustein f\u00fcr eine breite Palette lebenswichtiger Biomolek\u00fcle, darunter Biotreibstoffe, Biomaterialien und Medikamente. Nach der Konstruktion des Zyklus im Reagenzglas best\u00e4tigten die Forschenden seine Funktionalit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n

Dann folgte das Training: Durch rationale Optimierung, unterst\u00fctzt durch maschinelles Lernen, konnte das Team in mehreren Versuchsreihen die Ausbeute an Acetyl-CoA um den Faktor 100 steigern. Um den Ablauf in vivo<\/em> zu testen, sollte der Einbau in die lebende Zelle Schritt f\u00fcr Schritt erfolgen. Zu diesem Zweck teilten die Forscher den THETA-Zyklus in drei Module auf, von denen jedes erfolgreich in das Bakterium E. coli<\/em> eingebaut wurde. Die Funktionsf\u00e4higkeit der Module wurde durch wachstumsgekoppelte Selektion und\/oder Isotopenmarkierung \u00fcberpr\u00fcft.<\/p>\n\n\n\n

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\u201eDas Besondere an diesem Zyklus ist, dass er mehrere Zwischenprodukte enth\u00e4lt, die als zentrale Metaboliten im Stoffwechsel des Bakteriums dienen. Diese \u00dcberlappung bietet die M\u00f6glichkeit, einen modularen Ansatz f\u00fcr seine Umsetzung zu entwickeln\u201c, erkl\u00e4rt Shanshan Luo, Erstautorin der Studie. \u201eWir konnten die Funktionalit\u00e4t der drei einzelnen Module in E. coli<\/em> nachweisen. Allerdings ist es uns noch nicht gelungen, den gesamten Zyklus zu schlie\u00dfen, so dass E. coli<\/em> vollst\u00e4ndig mit CO2<\/sub> wachsen kann\u201c, f\u00fcgt sie hinzu.<\/p>\n\n\n\n

Die Schlie\u00dfung des THETA-Zyklus ist nach wie vor eine gro\u00dfe Herausforderung, da alle 17 Reaktionen mit dem nat\u00fcrlichen Stoffwechsel von E. coli<\/em> synchronisiert werden m\u00fcssen, der von Natur aus Hunderte bis Tausende von Reaktionen umfasst. Doch die Realisierung des gesamten Zyklus in vivo<\/em> sei nicht das einzige Ziel, betont die Forscherin. \u201eUnser Zyklus hat das Potenzial, eine vielseitige Plattform f\u00fcr die Produktion wertvoller Verbindungen direkt aus CO2<\/sub> zu werden, indem wir das Ausgangsmolek\u00fcl Acetyl-CoA weiter nutzen\u201c, sagt Shanshan Luo.<\/p>\n\n\n\n

\u201eDass es dem Team gelang, Teile des THETA-Zyklus in die Realit\u00e4t umzusetzen, ist ein wichtiger Grundsatzbeweis f\u00fcr die synthetische Biologie\u201c, sagt Tobias Erb. \u201eDie modulare Umsetzung dieses Zyklus in E. coli<\/em> ebnet den Weg zur Realisierung hochkomplexer, orthogonaler, neuartiger CO2<\/sub>-Fixierungswege in Zellfabriken. Wir lernen gerade, den zellul\u00e4ren Stoffwechsel komplett neu zu programmieren, um ein synthetisches autotrophes Betriebssystem f\u00fcr die Zelle zu schaffen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Quellen<\/strong><\/p>\n\n\n\n