{"id":72865,"date":"2020-03-24T06:54:37","date_gmt":"2020-03-24T05:54:37","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fbiowissenschaften-chemie%2Fnachhaltige-nutzung-von-co2-mittels-eines-modifizierten-bakteriums.html"},"modified":"2021-09-09T21:20:43","modified_gmt":"2021-09-09T19:20:43","slug":"nachhaltige-nutzung-von-co2-mittels-eines-modifizierten-bakteriums","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/nachhaltige-nutzung-von-co2-mittels-eines-modifizierten-bakteriums\/","title":{"rendered":"Nachhaltige Nutzung von CO2<\/sub> mittels eines modifizierten Bakteriums"},"content":{"rendered":"

Einem Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm unter Leitung von Dr. Arren Bar-Even ist es gelungen, die Ern\u00e4hrung des Bakteriums E. coli so umzuprogrammieren, dass es Ameisens\u00e4ure oder Methanol als einzige Nahrungsquelle nutzen kann. Diese einfachen organischen Verbindungen lassen sich sehr effizient durch elektrochemische Verfahren aus Kohlenstoffdioxid (CO2<\/sub>) herstellen, sodass dieses Treibhausgas zuk\u00fcnftig sinnvoll genutzt werden k\u00f6nnte und sein Beitrag am Klimawandel sinkt.<\/strong><\/p>\n

Neue Wege zur bio\u00f6konomischen Nutzung von CO2<\/sub><\/h3>\n

Obwohl Kohlenstoffdioxid (CO2<\/sub>) nur einen Anteil von 0,04% der Luft darstellt, geh\u00f6rt es zu den Treibhausgasen, die mitverantwortlich sind f\u00fcr die Erderw\u00e4rmung und den Klimawandel. Eine M\u00f6glichkeit zur Bek\u00e4mpfung des Klimawandels besteht darin, CO2<\/sub> aus der Atmosph\u00e4re zu entfernen z.B. durch Aufnahme in Pflanzen, Algen oder Mikroorganismen, die durch Photosynthese Biomasse produzieren. Ein anderer Weg besteht darin das bei der Verbrennung oder anderen industriellen Produktionsprozessen entstehende CO2<\/sub> aufzufangen und zu verwerten, es also zu recyceln bevor es in die Luft gelangt. Grunds\u00e4tzlich besitzt CO2<\/sub> das Potenzial, fossile Brennstoffe als Ausgangsmaterial f\u00fcr die Produktion von kohlenstoffbasierten Chemikalien, einschlie\u00dflich Kraftstoffen, abzul\u00f6sen. Ziel der gerade aktuell von der Bundesregierung verabschiedeten Bio\u00f6konomiestrategie ist es, biologische Ressourcen st\u00e4rker zu nutzen und mit Hilfe biologischen Wissens und Innovationen unseren Bedarf an Rohstoffen, Produkten und Dienstleistungen zu decken. Diese Strategie beinhaltet auch die M\u00f6glichkeit Abfallprodukte wie CO2<\/sub> zu verwerten um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu etablieren. Eine M\u00f6glichkeit zur Verwertung von CO2<\/sub> besteht darin, es in einfache Verbindungen zu \u00fcberf\u00fchren und diese als Nahrungsquelle f\u00fcr Mikroorganismen zu nutzen. Die Mikroorganismen wandeln die Stoffe wiederum in hochwertige Verbindungen um, die dann fossile Brennstoffe ersetzen k\u00f6nnten.<\/p>\n

Einen solchen innovativen Ansatz verfolgten Forscher um Arren Bar-Even vom Max-Planck-Institut f\u00fcr Molekulare Pflanzenphysiologie. Ihre Idee dabei: die Einbringung eines neuen Stoffwechselweges in das Bakterium Escherichia coli (Kolibakterium), damit dieses sich statt wie \u00fcblich von Zuckern, ausschlie\u00dflich von organischen Verbindungen wie Ameisens\u00e4ure oder Methanol, ern\u00e4hrt. Beide Verbindungen k\u00f6nnen sehr effizient und kosteng\u00fcnstig aus CO2<\/sub> hergestellt werden. Da E. coli sehr gut erforscht und einfach zu kultivieren ist, wird es f\u00fcr industrielle Produktionsverfahren, zum Beispiel zur Herstellung von Insulin oder Aminos\u00e4uren bereits jetzt schon eingesetzt. Gelingt es, E.\u00a0coli mittels Ameisens\u00e4ure oder Methanol zu kultivieren, k\u00f6nnte man einen Stoffkreislauf schaffen, der CO2<\/sub> – \u00fcber Ameisens\u00e4ure und Methanol – in wertvollere Produkte \u00fcberf\u00fchrt mit Hilfe von modifizierten Mikroorganismen.<\/p>\n

Ihre Ergebnisse haben die Forscher aktuell im Fachjournal \u201enature chemical biology\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n

Entwicklung eines neuen Stoffwechselweges<\/h3>\n
\"Die
Die Einbringung eines neuen Stoffwechselweges in Escherichia coli erm\u00f6glicht dem Bakterium, Methanol oder Ameisens\u00e4ure (engl. Formate) als Nahrungsquelle zu benutzen um zu wachsen und Biomasse aufzubauen.
\u00a9 Arren Bar-Even<\/figcaption><\/figure>\n

Damit E. coli Ameisens\u00e4ure in Biomasse umwandelt, waren einige wichtige Ver\u00e4nderungen n\u00f6tig. So musste zun\u00e4chst ein v\u00f6llig neuer Syntheseweg f\u00fcr Glycin und Serin entworfen werden, welcher die Herstellung dieser Aminos\u00e4uren ausgehend von Ameisens\u00e4ure sicherstellt. Weiterhin mussten die daf\u00fcr ben\u00f6tigten Gene in das Bakteriengenom eingef\u00fcgt werden. Die Wissenschaftler gliederten die ben\u00f6tigten Gene in vier Module. Das erste Modul bestand aus 3 Genen des Bakteriums Methylobacterium extorquens, mit denen die Verstoffwechselung der Ameisens\u00e4ure startete. Das zweite Modul beinhaltete drei in E. coli nat\u00fcrlich vorkommende Gene, deren Ableserate (Expression) vielfach erh\u00f6ht wurde. Die Einbringung von den ersten zwei Modulen f\u00fchrte dazu, dass E. coli in der Lage war, Ameisens\u00e4ure in die Aminos\u00e4uren Glycin und Serin umzuwandeln. Das dritte Modul bestand wiederum aus zwei nat\u00fcrlicherweise in E. coli vorkommenden Genen, deren Expression erh\u00f6ht wurde, damit als Endprodukt des neuen Synthesewegs Pyruvat gebildet wird. Dieser Stoff ist ein wichtiger Ausgangsstoff f\u00fcr viele weitere zentrale Stoffwechselwege, die letztendlich zur Produktion von Biomasse f\u00fchren. Zu Guter Letzt wurde ein Gen aus dem Bakterium Pseudomonas sp. eingebracht, um die Energie f\u00fcr das Zellwachstum bereitzustellen (Modul 4).<\/p>\n

Durch Evolution im Labor zu verbessertem Wachstum<\/h3>\n

Um die Wachstumsrate zu steigern, kultivierten die Forscher das mit allen Modulen ausgestattete Bakterium in Testr\u00f6hrchen. Sobald die Zelldichte, nach etwa 3 \u2013 6 Tagen, einen Schwellenwert \u00fcberschritt, verd\u00fcnnten Sie die Bakterien und starteten mit einer neuen Bakterienkultur den n\u00e4chsten Wachstumszyklus. Auf diese Weise selektierten sie im Verlauf von 13 Zyklen Bakterien, deren Wachstum sich nach und nach deutlich gesteigert hatte. Dies konnte auf zwei einzelne Mutationen zur\u00fcckgef\u00fchrt werden, die w\u00e4hrend dieser \u201eadaptiven Labor-Evolution\u201c im E. coli Genom entstanden waren und die gesteigerte Wachstumsrate bedingten.<\/p>\n

In einer \u00e4hnlichen Studie des Weizman-Instituts in Israel von November 2019, die in der Fachzeitschrift \u201eCELL\u201c erschienen ist und an der Arren Bar-Even als Kooperationspartner beteiligt war, wurde ein genetisch ver\u00e4ndertes E. coli-Bakterium vorgestellt, dem es m\u00f6glich war mittels Ameisens\u00e4ure und CO2<\/sub> zu wachsen. Im Vergleich mit der in \u201eCELL\u201c ver\u00f6ffentlichten Studie, ist die Wachstumsrate des aktuell beschriebenen modifizierten E. colis doppelt so hoch. Dieses Bakterium kann sogar mit Hilfe eines weiteren Enzyms, der sogenannten Methanol-Dehydrogenase, Methanol in Ameisens\u00e4ure umwandeln, welche wiederum wie bereits beschrieben in Biomasse umgesetzt wird.<\/p>\n

Somit haben die Forscher in ihrer eindrucksvollen Arbeit bewiesen, dass Bakterien durch genetische Modifikationen umprogrammiert werden k\u00f6nnen, um neue Nahrungsquellen zu nutzen. Dies stellt die Grundlage daf\u00fcr dar, zuk\u00fcnftig weitere Organismen mit neuen Stoffwechselwegen auszustatten und diese industriell zu nutzen. Durch die weitere Entwicklung des Methanol- oder Ameisens\u00e4ure-verzehrenden Bakteriums erhoffen sich die Forscher damit bald auch hochwertige Chemikalien herstellen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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