{"id":159611,"date":"2025-03-12T07:35:00","date_gmt":"2025-03-12T06:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=159611"},"modified":"2025-03-07T13:29:08","modified_gmt":"2025-03-07T12:29:08","slug":"kunstliche-kohlenstoff-fixierung-uberholt-die-natur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kunstliche-kohlenstoff-fixierung-uberholt-die-natur\/","title":{"rendered":"K\u00fcnstliche Kohlenstoff-Fixierung \u00fcberholt die Natur"},"content":{"rendered":"\n\n\n

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 f\u00fcr Terrestrische Mikrobiologie bauten einen synthetischen Stoffwechselweg in ein Bakterium ein und zeigten im direkten Vergleich, dass er aus Ameisens\u00e4ure und CO2<\/sub> deutlich mehr Biomasse bilden kann als der nat\u00fcrliche Bakterienstamm.<\/strong><\/p>\n\n\n

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\"Ein
Ein Bioreaktor-Experiment zeigte, dass das Bakterium Cupriavidus necator<\/em> mit einem synthetischen Stoffwechselweg aus Ameisens\u00e4ure und CO\u2082 mehr Biomasse produzieren kann als der nat\u00fcrliche Bakterienstamm. \u00a9 Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie\/Geisel<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Die Natur fixiert CO2<\/sub> haupts\u00e4chlich im sogenannten Calvin-Zyklus, der Teil der Photosynthese ist. Dieser nat\u00fcrliche Fixierungsweg ist jedoch begrenzt, wenn es um die Effizienz geht. Forscher um Tobias Erb haben bereits k\u00fcnstliche 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.<\/p>\n\n\n\n

Auch \u00fcber physikalisch-chemische Methoden l\u00e4sst sich CO2<\/sub> fixieren, zum Beispiel durch elektrochemische Reduktion von CO2<\/sub> zur Ameisens\u00e4ure mit erneuerbarem Strom. Leider kann man diesen Prozess noch nicht nutzen, um die Ameisens\u00e4ure zu komplexen Molek\u00fclen wie Zuckern oder Proteinen zu verarbeiten, weil der Prozess hier zu ineffizient ist.<\/p>\n\n\n\n

Der Aufbau von Biomasse aus C1-K\u00f6rpern wie Ameisens\u00e4ure und CO2<\/sub> ist allerdings eine Spezialit\u00e4t von Mikroorganismen. Tats\u00e4chlich k\u00f6nnen einige Bakterien auf Ameisens\u00e4ure wachsen und zahlreiche Produkte erzeugen. Daher entwickeln Forschende derzeit Hybridprozesse, die zun\u00e4chst CO2<\/sub> physikalisch-chemisch in Ameisens\u00e4ure fixieren und diese dann mikrobiell weiterverarbeiten.<\/p>\n\n\n\n

Nachhaltige Hybridl\u00f6sungen<\/h3>\n\n\n\n

Da viele Bakterien in der Natur Ameisens\u00e4ure \u00fcber den ineffizienten Calvin-Zyklus umsetzen, k\u00f6nnte man \u00fcber k\u00fcnstliche Alternativen wie den CETCH- Zyklus auch den mikrobiellen Teil dieses Hybridprozesses produktiver machen und die gew\u00fcnschten Ausgangsprodukte nachhaltiger erzeugen. Aber w\u00e4ren synthetische menschengemachte Wege zur Kohlenstoff-Verarbeitung im direkten Vergleich wirklich effizienter als nat\u00fcrliche?<\/p>\n\n\n\n

Um diese Frage zu kl\u00e4ren, schickte das Forscherteam den “reduktiven Glycinweg” ins Rennen, den effizientesten k\u00fcnstlichen Stoffwechselweg zur Assimilation von Ameisens\u00e4ure. Um zu zeigen, dass er nat\u00fcrliche Kohlenstofffixierung vertreten durch den Calvin-Zyklus energetisch \u00fcberbieten kann, w\u00e4hlten sie das nicht-phototrophe Bakterium Cupriavidus necator<\/em>, das den Calvin-Zyklus zur Umsetzung von Ameisens\u00e4ure nutzt. Bereits 2020 war es einem der Kooperationspartner, Dr. Nico Claassens von der Universit\u00e4t 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 unver\u00e4nderten Bakterium.<\/p>\n\n\n\n

Optimierung mittels Labor-Evolution<\/h3>\n\n\n\n

In der neuen Studie \u00fcbertrug das Forscherteam den kompletten reduktiven Glycinweg in das Genom des Bakteriums, doch diesmal optimierten sie die Effizienz des Weges. Mobile DNA-Elemente, die sich zuf\u00e4llig im Genom einbauen k\u00f6nnen, beluden sie mit den Teilen des Stoffwechselweges. Dann optimierten sie die Genomver\u00e4nderung mittels Labor-Evolution auf das Wachstum auf Ameisens\u00e4ure hin und verst\u00e4rkten so seine Effizienz. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eZellen, bei denen die Gene des reduktiven Glycinweges g\u00fcnstig zueinander eingebaut und abgelesen wurden, wuchsen besser als andere Zellen und wurden von uns weiter selektiert, bis ihre Produktion nahe am physiologischen Optimum lag\u201c erkl\u00e4rt Dr. Beau Dronsella, Erstautor der Studie, die im Fachblatt Nature Microbiology<\/em> erschien<\/a>.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Im anschlie\u00dfenden Bioreaktor-Vergleich bildete der k\u00fcnstlich ver\u00e4nderte und optimierte Stamm signifikant mehr Biomasse aus Ameisens\u00e4ure und CO2<\/sub> als der nat\u00fcrliche Bakterienstamm. Die Forscher messen sogar h\u00f6here Biomasseertr\u00e4ge als bei allen vergleichbaren Organismen, die den Calvin-Zyklus oder synthetische Wege zur Verwertung von Ameisens\u00e4ure nutzen. Allerdings war der k\u00fcnstlich ver\u00e4nderte Stamm nur halb so schnell wie der nat\u00fcrliche.<\/p>\n\n\n\n

Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, dass sich durch adaptive Laborevolution auch diese L\u00fccke verringern l\u00e4sst. Der Nachweis, dass die synthetische Biologie tats\u00e4chlich effizienter im biotechnologischen Rahmen genutzt werden kann, um Kohlenstoff zu fixieren, ist nicht nur f\u00fcr den hier beschriebenen reduktiven Glycinweg relevant, sondern f\u00fcr viele der skizzierten k\u00fcnstlichen Stoffwechselwege. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eUnser Ergebnis birgt viel Potential f\u00fcr die nachhaltige Bioproduktion aus Ameisens\u00e4ure und k\u00f6nnte auch bereits etablierte Bioproduktionen noch effizienter machen,\u201c sagt Beau Dronsella.<\/strong> “Auch k\u00f6nnte man Ameisens\u00e4ure, \u00e4hnlich wie Wasserstoff, als chemischen Energietr\u00e4ger nutzen, um in Zukunft \u00dcbersch\u00fcsse erneuerbarer Energien zu speichern und f\u00fcr Bioproduktionen zu verwenden.” F\u00fcr Tobias Erb<\/strong> ist die Studie ein bedeutender Schritt f\u00fcr das junge Feld der synthetischen Biologie: \u201eEs ist faszinierend, dass wir mithilfe der synthetischen Biologie innerhalb weniger Jahre neue L\u00f6sungen entwerfen k\u00f6nnen, die effizienter funktionieren als das, was sich in der Natur \u00fcber Milliarden Jahre entwickelte.\u201c<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n\n

Originalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n\n\n\n

Dronsella, B.; Orsi, E.; Schulz-Mirbach, H.; Benito-Vaquerizo, S.; Yilmaz, S.; Glatter, T.; Bar-Even, A.;. Erb, T.J.E.;  Claassens, N. J.; ‘One-carbon fixation via the synthetic reductive glycine pathway exceeds yield of the Calvin cycle’; Nature Microbiology Feb 27 (2025)<\/em>, DOI: 10.1038\/s41564-025-01941-9<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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