{"id":83554,"date":"2021-01-13T07:37:47","date_gmt":"2021-01-13T06:37:47","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=83554"},"modified":"2021-09-09T21:13:22","modified_gmt":"2021-09-09T19:13:22","slug":"stoffwechsel-umleitung-eroeffnet-neue-wege-der-co2-fixierung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/stoffwechsel-umleitung-eroeffnet-neue-wege-der-co2-fixierung\/","title":{"rendered":"Stoffwechsel-Umleitung er\u00f6ffnet neue Wege der CO2<\/sub>-Fixierung"},"content":{"rendered":"

Die pflanzliche Photorespiration ist ein Prozess, der Energie kostet und bei dem bereits fixiertes CO2<\/sub> wieder frei wird. Dieser Stoffwechselprozess gilt daher als ein wichtiger Ansatzpunkt zur Verbesserung von Ernteleistungen und zur Senkung des steigenden CO2<\/sub>-Gehalts der Atmosph\u00e4re. Forschende um Prof. Dr. Tobias Erb vom Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie haben nun den TaCo-Stoffwechselweg entwickelt, einen synthetischen Bypass zur Photorespiration. Er er\u00f6ffnet neue M\u00f6glichkeiten der CO2<\/sub>-Fixierung und der Produktion wertvoller Kohlenstoff-Verbindungen.<\/strong><\/p>\n

\"original\"
Engineering der Glycolyl-CoA-Carboxylase (GCC), dem Schl\u00fcsselenzym des TaCo-Wegs. GCC wurde basierend auf dem Ger\u00fcst einer nat\u00fcrlich vorkommenden Propionyl-CoA-Carboxylase (WT) entwickelt. Rationales Design f\u00fchrte zu der 50-fach verbesserten Version M3, und zus\u00e4tzliches Hochdurchsatz-Screening erm\u00f6glichte die Identifizierung einer 900-fach verbesserten Version (M5). Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologe\/Scheffen<\/figcaption><\/figure>\n

Alles Leben auf der Erde ist auf die Fixierung von CO2<\/sub> durch Pflanzen angewiesen. Die Effizienz der nat\u00fcrlichen Photosynthese ist jedoch begrenzt, was die landwirtschaftlicheProduktivit\u00e4t und die CO2<\/sub>-Fixierung erheblich einschr\u00e4nkt. Die Photorespiration ist ein Entgiftungsprozess, der ein toxisches Nebenprodukt der Photosynthese, 2-Phosphoglykolat, recycelt. Dieser Prozess ist sehr energieaufw\u00e4ndig und f\u00fchrt zur Freisetzung von zuvor fixiertem CO2<\/sub>, was die photosynthetische Bilanz weiter verschlechtert.<\/p>\n

Forschende um Prof. Dr. Tobias Erb vom Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie haben einen synthetischen Stoffwechselweg entwickelt, mit der die Photorespiration umgangen werden kann. Mit dem sogenannten Tartronyl-CoA (TaCo)-Weg hat das Team in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dr. Arren Bar-Even (MPI f\u00fcr Molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam-Golm) und im Rahmen des EU-gef\u00f6rderten Projekts Future Agriculture<\/a> einen Weg entworfen, der viel k\u00fcrzer ist als die nat\u00fcrliche Photorespiration und nur f\u00fcnf statt 11 Enzyme ben\u00f6tigt. Der vielleicht gr\u00f6\u00dfte Vorteil des TaCo-Wegs ist, dass er CO2<\/sub> fixiert, anstatt es freizusetzen, wie es bei der nat\u00fcrlichen Photorespiration geschieht. Dadurch ist der TaCo-Weg energieeffizienter als jeder andere bisher entwickelte photorespiratorische Bypass.<\/p>\n

Der Aufbau des TaCo-Wegs war eine wissenschaftliche Reise, die die Forschenden vom theoretischen Modell \u00fcber enzymatisches Engineering, mikrofluidisches High-Throughput-Screening und Kryo-EM-Technologie zur erfolgreichen In-vitro-Implementierung einer in der Natur neuartigen Stoffwechselverbindung gef\u00fchrt hat. “Die gr\u00f6\u00dfte Herausforderung bei der Realisierung des TaCo-Stoffwechselwegs war es, alle ben\u00f6tigten Enzyme zu finden – wir mussten nach Enzymen suchen, die \u00e4hnliche Reaktionen katalysieren, und diesen dann die gew\u00fcnschte Reaktion `beibringen`,” erinnert sich Marieke Scheffen, Postdoc in der Gruppe von Tobias Erb und Erstautorin der Studie.<\/p>\n

Effizientere Enzyme<\/h3>\n

F\u00fcr den TaCo-Weg wurden zun\u00e4chst eine Handvoll Enzyme gefunden, die in der Lage waren, die ben\u00f6tigten Reaktionen zu katalysieren. Allerdings zeigten sie eine zu geringe katalytische Effizienz, das hei\u00dft, sie waren im Vergleich zu nat\u00fcrlich vorkommenden Enzymen recht langsam. Die Forscher wollten vor allem die Leistung des Schl\u00fcsselenzyms des TaCo-Wegs steigern, der Glycolyl-CoA-Carboxylase (GCC), dem Katalysator, der die Photorespiration kohlenstoffpositiv macht.<\/p>\n

Als Grundlage f\u00fcr die Herstellung einer synthetischen Glycolyl-CoA-Carboxylase (GCC) entwickelten die Forschenden ein molekulares Modell des Enzyms. Ausgehend von einer nat\u00fcrlich vorkommenden Propionyl-CoA-Carboxylase, die normalerweise am Fetts\u00e4urestoffwechsel beteiligt ist, wurden durch den Austausch von einzelnen Aminos\u00e4uren verschiedene Varianten des Enzyms geschaffen. Diese Designstrategie f\u00fchrte zu einer 50-fachen Verbesserung der katalytischen Effizienz des Enzyms mit dem Substrat Glycolyl-CoA.<\/p>\n

Um die Leistung des Enzyms noch weiter zu steigern, arbeiteten die Forschenden mit der Gruppe von Jean-Christophe Baret vom franz\u00f6sischen Nationalen Zentrum f\u00fcr wissenschaftliche Forschung (CNRS, CRPP) in Bordeaux zusammen, mit der sie einen mikrofluidischen Ultra-Hochdurchsatz-Screen entwickelten und Tausende von synthetischen Varianten testeten. Innerhalb von zwei Runden Mikrotiterplatten-Screenings wurde eine Enzymvariante gefunden, die eine fast 900-fach erh\u00f6hte katalytische Effizienz mit Glycolyl-CoA zeigte. “Mit dieser katalytischen Effizienz liegt GCC im Bereich der nat\u00fcrlich vorkommenden biotinabh\u00e4ngigen Carboxylasen. Das hei\u00dft, wir konnten aus einem Enzym mit praktisch keiner Aktivit\u00e4t gegen\u00fcber Glycolyl-CoA eines mit sehr hoher Aktivit\u00e4t entwickeln, die mit nat\u00fcrlich entstandenen Enzymen vergleichbar ist”, erkl\u00e4rt Marieke Scheffen.<\/p>\n

Hochaufl\u00f6sende Elektronenmikroskopie<\/h3>\n

Die Aufkl\u00e4rung der molekularen Struktur dieses neu entwickelten Katalysators gelang in einer weiteren Zusammenarbeit mit Jan und Sandra Schuller vom Max-Planck-Institut f\u00fcr Biochemie, Martinsried (heute SYNMIKRO in Marburg). Die Forscher setzten modernste kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) mit einer atomaren Aufl\u00f6sung von 1,96 \u00c5 ein und \u00fcberschritten damitdie Grenzen der Kryo-EM. In den anschlie\u00dfenden in-vitro-Experimenten erwies sich das synthetische GCC-Enzym in Kombination mit den beiden anderen synthetischen Enzymen des TaCo-Weges als funktionsf\u00e4hig und bildete somit den Kern eines anwendbaren Kohlenstoff-Fixierungsweges. “Der TaCo-Weg ist nicht nur eine vielversprechende Alternative zur Photorespiration”, sagt Gruppenleiter Tobias Erb. “Wir konnten auch zeigen, dass er mit anderen synthetischen CO2<\/sub>-Fixierungszyklen, wie dem CETCH-Zyklus, gekoppelt werden kann. Damit k\u00f6nnen wir die synthetische CO2<\/sub>-Fixierung direkt und effizient mit dem zentralen Stoffwechsel verbinden.”<\/p>\n

Dies er\u00f6ffnet eine Reihe von wissenschaftlichen M\u00f6glichkeiten, zum Beispiel in Richtung des Recyclings von Polyethylenterephthalat (PET). Der TaCo-Weg k\u00f6nnte in Zukunft dazu genutzt werden, um Ethylenglykol (ein Monomer von PET) direkt in Glycerat umzuwandeln und es so f\u00fcr die Produktion von Biomasse oder wertsch\u00f6pfenden Verbindungen nutzbar zu machen. Der n\u00e4chste Schritt wird sein, die in vivo-Implementierung voranzutreiben, um das volle Potenzial des neu entwickelten Weges auszusch\u00f6pfen.<\/p>\n

<\/h3>\n

Originalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n

Scheffen, M.; Marchal, D.G.; Beneyton, T.; Schuller, S.K.; Klose, M.; Diehl, C.; Lehmann, J.; Pfister, P.; Carrillo, M.; He, H.; Aslan, S.; Cortina, N.S.; Claus, P.; Bollschweiler, D.; Baret, J.-C.; Schuller, J.M.; Zarzycki,J.; Bar-Even, A.; Erb, T.J.
\nA new-to-nature carboxylation module to improve natural and synthetic CO2 fixation<\/a>
\nNature Catalysis<\/em> 1 (2021)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Die pflanzliche Photorespiration ist ein Prozess, der Energie kostet und bei dem bereits fixiertes CO2 wieder frei wird. Dieser Stoffwechselprozess gilt daher als ein wichtiger Ansatzpunkt zur Verbesserung von Ernteleistungen und zur Senkung des steigenden CO2-Gehalts der Atmosph\u00e4re. Forschende um Prof. Dr. Tobias Erb vom Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie haben nun den TaCo-Stoffwechselweg entwickelt, einen […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572,5571],"tags":[10744,11841,10743],"supplier":[5072,5345,5038],"class_list":["post-83554","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","category-co2-based","tag-carboncapture","tag-kreislaufwirtschaft","tag-useco2","supplier-centre-national-de-la-recherche-scientifique-cnrs","supplier-max-planck-institut-fuer-biochemie","supplier-max-planck-institut-fuer-terrestrische-mikrobiologie"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/83554","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=83554"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/83554\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=83554"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=83554"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=83554"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=83554"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}