Wissenschaftler finden in Bakterien einen neuen Weg zur Dekarbonisierung der Industrie. Ein Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley hat Bakterien so entwickelt, dass sie neuartige Kohlenstoffprodukte produzieren, die einen leistungsstarken Weg zu nachhaltigen Biochemikalien darstellen k\u00f6nnten.<\/p>\n\n\n\n
Der vor kurzem in der Fachzeitschrift Nature<\/em> ver\u00f6ffentlichte Fortschritt nutzt Bakterien, um nat\u00fcrliche enzymatische Reaktionen mit einer neuartigen Reaktion, der so genannten “Carbenentransferreaktion”, zu kombinieren. Diese Arbeit k\u00f6nnte eines Tages auch dazu beitragen, industrielle Emissionen zu reduzieren, da sie nachhaltige Alternativen zu chemischen Herstellungsprozessen bietet, die normalerweise auf fossile Brennstoffe angewiesen sind.<\/p>\n\n\n\n “Was wir in dieser Arbeit gezeigt haben, ist, dass wir alles in dieser Reaktion – von nat\u00fcrlichen Enzymen bis zu Carbenen – innerhalb der Bakterienzelle synthetisieren k\u00f6nnen. Man muss nur Zucker hinzuf\u00fcgen, und die Zellen erledigen den Rest”, sagte Jay Keasling, einer der Hauptautoren der Studie und CEO des Joint BioEnergy Institute (JBEI) des Energieministeriums.<\/p>\n\n\n\n Carbene sind hochreaktive, auf Kohlenstoff basierende Chemikalien, die f\u00fcr viele verschiedene Arten von Reaktionen verwendet werden k\u00f6nnen. Seit Jahrzehnten wollen Wissenschaftler Carbenreaktionen bei der Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien sowie bei der Entdeckung und Synthese von Medikamenten einsetzen.<\/p>\n\n\n\n Diese Carbenprozesse konnten jedoch nur in kleinen Chargen in Reagenzgl\u00e4sern durchgef\u00fchrt werden und erforderten teure chemische Substanzen, um die Reaktion anzutreiben.<\/p>\n\n\n\n In der neuen Studie ersetzten die Forscher teure chemische Reaktanten durch nat\u00fcrliche Produkte, die von einem gentechnisch ver\u00e4nderten Stamm des Bakteriums Streptomyces<\/em> produziert werden k\u00f6nnen. Da die Bakterien Zucker verwenden, um durch ihren Zellstoffwechsel chemische Produkte zu erzeugen, “erm\u00f6glicht uns diese Arbeit, die Carben-Chemie ohne giftige L\u00f6sungsmittel oder giftige Gase durchzuf\u00fchren, die normalerweise bei der chemischen Synthese verwendet werden”, so Erstautorin Jing Huang, Postdoktorandin am Berkeley Lab im Keasling Lab. “Dieser biologische Prozess ist viel umweltfreundlicher als die Art und Weise, wie Chemikalien heute synthetisiert werden”, so Huang.<\/p>\n\n\n\n W\u00e4hrend der Experimente am JBEI beobachteten die Forscher das manipulierte Bakterium bei der Verstoffwechselung und Umwandlung von Zuckern in den Carben-Vorl\u00e4ufer und das Alkensubstrat. Das Bakterium exprimierte auch ein weiterentwickeltes P450-Enzym, das diese Chemikalien zur Herstellung von Cyclopropanen nutzte, hochenergetischen Molek\u00fclen, die m\u00f6glicherweise f\u00fcr die nachhaltige Produktion neuartiger bioaktiver Verbindungen und fortschrittlicher Biokraftstoffe verwendet werden k\u00f6nnten. “Wir k\u00f6nnen diese interessanten Reaktionen jetzt innerhalb der Bakterienzelle durchf\u00fchren. Die Zellen produzieren alle Reagenzien und Kofaktoren, was bedeutet, dass man diese Reaktion f\u00fcr die Massenproduktion in sehr gro\u00dfem Ma\u00dfstab durchf\u00fchren kann”, so Keasling.<\/p>\n\n\n\n Die Rekrutierung von Bakterien f\u00fcr die Synthese von Chemikalien k\u00f6nnte auch eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Kohlenstoffemissionen spielen, so Huang. Nach Angaben anderer Forscher des Berkeley Lab stammen fast 50 % der Treibhausgasemissionen aus der Produktion von Chemikalien, Eisen und Stahl sowie Zement. Um die globale Erw\u00e4rmung auf 1,5 Grad Celsius \u00fcber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, m\u00fcssen die Treibhausgasemissionen bis 2030 um die H\u00e4lfte reduziert werden, so ein aktueller Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses f\u00fcr Klima\u00e4nderungen.<\/p>\n\n\n\n Huang sagte, dass dieses vollst\u00e4ndig integrierte System zwar f\u00fcr eine gro\u00dfe Anzahl von Carben-Donor-Molek\u00fclen und Alken-Substraten denkbar ist, aber noch nicht zur Marktreife gelangt ist.<\/p>\n\n\n\n “F\u00fcr jeden neuen Fortschritt muss jemand den ersten Schritt machen. Und in der Wissenschaft kann es Jahre dauern, bis man Erfolg hat. Aber man muss es weiter versuchen – wir k\u00f6nnen es uns nicht leisten, aufzugeben. Ich hoffe, dass unsere Arbeit andere dazu inspirieren wird, weiter nach umweltfreundlicheren, nachhaltigen L\u00f6sungen f\u00fcr die Bioproduktion zu suchen”, sagte Huang.<\/p>\n\n\n\n Diese Arbeit wurde durch das DOE Office of Science und das DOE Office of Biological and Environmental Research unterst\u00fctzt. Zus\u00e4tzliche Unterst\u00fctzung wurde von der National Science Foundation gew\u00e4hrt.<\/p>\n\n\n\nOriginalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n\n\n\n