Ameisensäure im Fokus
Ein künstliches Schlüssel-Enzym eröffnet die Umwandlung von CO2 über
Ameisensäure zu Rohstoffen
Formiat, das Salz der Ameisensäure, gilt als wichtiger zukünftiger
Drehpunkt nachhaltiger Biotechnologien. Ein Team am Max-Planck-Institut
für terrestrische Mikrobiologie hat ein Enzym entwickelt, das Formiat
effizient zu Formaldehyd umwandelt.
Dies ist entscheidend für die
nachhaltige Umwandlung von CO2 in wertvolle Rohstoffe. Das neue Enzym,
FAR, toleriert hohe Formiatkonzentrationen: eine wichtige Voraussetzung
für industrielle Prozesse.
Für eine kohlenstoffneutrale Bioökonomie sind Verfahren erforderlich, die
CO2 effizient binden und in wertvolle Produkte umwandeln. Ameisensäure
beziehungsweise ihr Salz Formiat gilt als vielversprechender Kandidat: Sie
lässt sich aus CO2 mittels erneuerbarem Strom herstellen, ist leicht
transportierbar, ungiftig und vielseitig verwendbar. Die Forschung
konzentriert sich unter anderem auf Mikroorganismen, die mit aus CO2
erzeugter Ameisensäure „gefüttert“ werden und daraus Grundchemikalien oder
Treibstoffe produzieren.
Ein Team unter Leitung von Dr. Maren Nattermann am Max-Planck-Institut für
terrestrische Mikrobiologie entwickelte ein maßgeschneidertes Enzym, das
den zentralen Umwandlungsschritt präzise und stabil in einem einzigen
enzymatischen Vorgang ausführt.
Einbau eines synthetischen Stoffwechsel-Bypasses
Die enzymatische Lösung baut auf früheren Forschungsarbeiten auf, in denen
das Team einen vollständig synthetischen Formylphosphat-Weg in Bakterien
etablierte. Bislang konnten nur bestimmte Bakterien Ameisensäure
verwerten. Natürliche Stoffwechselwege umgehen dabei das Zwischenprodukt
Formaldehyd, das als wichtiger Ausgangspunkt für die Integration von CO2
in den Zellstoffwechsel dient. Die Forschenden konstruierten eine
künstliche Brücke: einen synthetischen Formylphosphat-Stoffwechselweg
sie in lebenden E. coli-Bakterien einbauten. Kooperationspartner Dr.
Sebastian Wenk (Universität Groningen) erklärt: „Unsere Arbeit zeigte,
dass ein synthetischer Stoffwechselweg zur Verarbeitung von Formiat in
lebenden Organismen funktioniert – ein bedeutender Schritt zur Entwicklung
biotechnologisch nutzbarer Mikroorganismen, die aus CO2 gewonnenes Formiat
zur Herstellung von Lebensmitteln, Kraftstoffen und Materialien einsetzen
können.“ Das Formaldehyd wird von der Zelle unmittelbar weiterverarbeitet
und reichert sich nicht an.
Allerdings muss die Verbindung zum Zellstoffwechsel robust sein – immerhin
konkurriert sie mit dem eingespielten, in Millionen von Jahren evolvierten
natürlichen Stoffwechsel. Bisher existierten nur komplexe und anfällige
mehrstufige enzymatische Kaskaden, die empfindliche Zwischenprodukte wie
Formylphosphat oder Formyl-CoA freisetzen – Moleküle, die leicht zerfallen
oder unerwünschte Nebenreaktionen eingehen. Aus biotechnologischer Sicht
ist das Ziel eine „Vollformiat-Diät“, bei der Bakterien ausschließlich mit
Ameisensäure wachsen, ohne kostspielige Zusatzstoffe.
Ein einziges Enzym führt den entscheidenden Schritt aus
Kürzlich gelang der Gruppe der entscheidende Durchbruch: ein
maßgeschneidertes Formiat-Reduktase-Enzym, das präzise und robust
Ameisensäure zu Formaldehyd umsetzt. Das FAR (Formiat-Reduktase) genannte
Enzym basiert auf einer Carboxylsäure-Reduktase (CAR) aus dem Bakterium
Mycobacteroides abscessus. Das CAR-Enzym wurde durch gezielte Mutagenese
und Hochdurchsatz-Screening so verändert, dass es bevorzugt kleine
Moleküle wie Formiat wählt. „Mit FAR haben wir erstmals ein einzelnes,
robustes Enzym, das Formiat zuverlässig zu Formaldehyd reduziert – genau
dort, wo viele biotechnologische Wege beginnen“, erklärt Max-Planck-
Forschungsgruppenleiterin Dr. Maren Nattermann. „Damit schaffen wir einen
fehlenden Baustein für künftige Biokonversionen, die direkt auf CO₂-
basierten Rohstoffen beruhen.“
„Das Wichtigste ist, das unser Enzym selbst hohe Formiatkonzentrationen
toleriert – denn unter diesen Bedingungen versagten frühere Systeme nahezu
vollständig.“, ergänzt Philipp Wichmann, Erstautor der Studie. Gerade
diese Stabilität macht FAR für industrielle Prozesse attraktiv, in denen
Formiat elektrochemisch in sehr hohen Konzentrationen erzeugt wird.
Ohne den Einsatz von Hochdurchsatzmethoden wäre dieses Ergebnis in kurzer
Zeit nicht erreichbar gewesen. „Nach dem Screening von etwa 4.000
Varianten erzielten wir eine fünffache Steigerung der
Formaldehydproduktion“, erklärt Maren Nattermann.
Mit FAR steht nun ein Enzym zur Verfügung, das sowohl in lebenden Zellen
als auch in zellfreien Systemen oder elektrobiochemischen
Produktionslinien eingesetzt werden kann. So könnten künftig
Grundchemikalien, Biokunststoffe oder Treibstoffe aus CO2-basiertem
Formiat hergestellt werden. Die Forschenden planen bereits, FAR mit
weiteren synthetischen Stoffwechselwegen zu kombinieren, beispielsweise
zur Produktion energiereicher Moleküle.
