{"id":136914,"date":"2024-01-11T07:26:00","date_gmt":"2024-01-11T06:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=136914"},"modified":"2024-01-04T13:43:04","modified_gmt":"2024-01-04T12:43:04","slug":"auf-dem-weg-zu-zellen-mit-kunstlicher-kohlendioxid-fixierung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/auf-dem-weg-zu-zellen-mit-kunstlicher-kohlendioxid-fixierung\/","title":{"rendered":"Auf dem Weg zu Zellen mit k\u00fcnstlicher Kohlendioxid-Fixierung"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Die synthetische Biologie schafft neue biochemische Wege f\u00fcr die Umwandlung von Kohlendioxid. Forschende des Max-Planck-Instituts f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie haben einen synthetischen Zyklus entwickelt, der aus Kohlendioxid den zentralen Baustein Acetyl-CoA generiert. Den Forschenden gelang es, die drei Module des Zyklus jeweils erfolgreich in lebende Bakterien einzubringen. Die Arbeit ist ein bedeutender Schritt zur Realisierung synthetischer Wege f\u00fcr die Fixierung von Kohlendioxid in lebenden Zellen.<\/strong><\/p>\n\n\n

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\"Escherichia
Escherichia coli<\/em>-Bakterien mit Modulen eines k\u00fcnstlichen Stoffwechselyklusses wachsen in Kulturr\u00f6hrchen. \u00a9 MPI f. terrestrische Mikrobiologie\/ Geisel<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Die synthetische Biologie bietet einzigartige M\u00f6glichkeiten im Hinblick auf die Bew\u00e4ltigung der weltweiten Klimakrise, indem sie neue Kohlendioxid-Fixierungswege zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid entwickelt, die noch effizienter sind als die in der Natur Vorhandenen. Die Anwendung dieser neuen Wege in verschiedenen in-vitro<\/em>– und in-vivo<\/em>-Systemen stellt jedoch immer noch eine grundlegende Herausforderung dar. Nun haben Forscherinnen und Forscher in der Gruppe von Tobias Erb einen neuen synthetischen Weg zur Kohlendioxidfixierung konstruiert, 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 von E. coli<\/em> zu integrieren.<\/p>\n\n\n\n

Am gesamten Theta-Zyklus sind 17 Biokatalysatoren beteiligt, darunter die beiden schnellsten bisher bekannten Kohlendioxid-fixierenden Enzyme: Crotonyl-CoA-Carboxylase\/Reduktase und Phosphoenolpyruvat-Carboxylase. Die Forschenden haben die sehr effektiven Biokatalysatoren in Bakterien entdeckt. Obwohl jede der Carboxylasen Kohlendioxid bis zu zehnmal schneller einfangen kann als Rubisco, das Kohlendioxid-fixierende Enzym in Chloroplasten, brachte die Evolution selbst diese f\u00e4higen Enzyme nicht als Teil der nat\u00fcrlichen Fotosynthese zusammen.<\/p>\n\n\n\n

Zentraler Baustein Acetyl-CoA<\/h3>\n\n\n\n

Der Theta-Zyklus wandelt pro Durchgang zwei Molek\u00fcle Kohlendioxid 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\u00a0in vivo<\/em>\u00a0zu 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\u00a0E. coli<\/em>\u00a0eingebaut 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”, erkl\u00e4rt Shanshan Luo, Erstautorin der Studie<\/strong>. \u201eWir konnten die Funktionalit\u00e4t der drei einzelnen Module in\u00a0E. coli<\/em>\u00a0nachweisen. Allerdings ist es uns noch nicht gelungen, den gesamten Zyklus zu schlie\u00dfen, so dass\u00a0E. coli<\/em>\u00a0vollst\u00e4ndig mit Kohlendioxid wachsen kann”, f\u00fcgt sie hinzu.<\/p>\n<\/blockquote>\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\u00a0E. coli<\/em>\u00a0synchronisiert werden m\u00fcssen, der von Natur aus Hunderte bis Tausende von Reaktionen umfasst. Doch die Realisierung des gesamten Zyklus\u00a0in vivo<\/em>\u00a0ist nicht das einzige Ziel. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eUnser Zyklus hat das Potenzial, eine vielseitige Plattform f\u00fcr die Produktion wertvoller Verbindungen direkt aus Kohlendioxid zu werden, indem wir das Ausgangsmolek\u00fcl Acetyl-CoA weiter nutzen”, sagt Shanshan Luo<\/strong>. <\/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”, sagt Tobias Erb<\/strong>. \u201eDie modulare Umsetzung dieses Zyklus in\u00a0E. coli<\/em>\u00a0ebnet den Weg zur Realisierung hochkomplexer, orthogonaler, neuartiger Kohlendioxid-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.”<\/p>\n<\/blockquote>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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