Am 9. März 2025 berichtete das Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie über bahnbrechende Fortschritte in der synthetischen Biologie. Ein internationales Team unter der Leitung von Tobias Erb hat in einem Bioreaktor-Experiment gezeigt, dass das Bakterium Cupriavidus necator mithilfe eines synthetischen Stoffwechselweges, der Ameisensäure und CO₂ verwendet, mehr Biomasse produziert als der natürliche Stamm dieses Bakteriums. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Microbiology veröffentlicht.
Traditionell erfolgt die CO₂-Fixierung über den Calvin-Zyklus, der als ineffizient gilt und hohe ATP-Kosten verursacht. Forscher haben alternative Zyklen wie CETCH und THETA entwickelt, die effizienter arbeiten. Dennoch konnten diese künstlichen Zyklen bislang nur teilweise in lebenden Organismen umsetzen. Physikalisch-chemische Methoden zur CO₂-Fixierung existieren auch, sind jedoch nicht geeignet, um komplexe Moleküle effizient zu erzeugen, was den Bedarf an neuen Ansätzen im Bereich der synthetischen Biologie weiter unterstreicht.
Künstliche Stoffwechselwege zur CO₂-Fixierung
Mikroorganismen wie Cupriavidus necator sind in der Lage, Biomasse aus C1-Körpern, einschließlich Ameisensäure und CO₂, aufzubauen. In den letzten Jahren haben Entwicklungen gezeigt, dass es möglich ist, Hybridprozesse zu entwickeln, die CO₂ in Ameisensäure fixieren und diese dann mikrobiell weiterverarbeiten. Die optimierte Integration des reduktiven Glycinwegs in das Genom von Cupriavidus necator hat sich dabei als der effizienteste Weg zur Assimilation von Ameisensäure herausgestellt.
Zwischen 2020 und 2025 haben Forschende erhebliche Fortschritte gemacht. 2020 wurde der reduzierte Glycinweg eingeführt, doch die Wachstumsraten blieben niedrig. In der aktuellen Studie wurde dieser Weg jedoch weiter optimiert, sodass die Effizienz signifikant gesteigert werden konnte. Dabei wurden mobile DNA-Elemente eingesetzt, wodurch der optimierte Stamm signifikant mehr Biomasse produzierte als der natürliche Stamm, auch wenn das Wachstum langsamer blieb.
Potenzial für nachhaltige Bioproduktion
Die Ergebnisse dieser Forschungen zeigen das Potenzial für eine nachhaltige Bioproduktion aus Ameisensäure und könnten bestehende biotechnologische Herstellungsverfahren erheblich effizienter machen. Ameisensäure könnte darüber hinaus als chemischer Energieträger zur Speicherung erneuerbarer Energien genutzt werden. Diese Entwicklungen tragen dazu bei, den globalen Kohlenstoffkreislauf neu zu gestalten und eröffnen Perspektiven für die Farbstoffe von Mikroben zur Schaffung einer Formiat-Bioökonomie.
Die Umwandlung von CO₂ in organische Verbindungen ist ein zentrales Anliegen der synthetischen Biologie, einer Disziplin, die darauf abzielt, effizientere Stoffwechselwege zur Kohlenstoff-Fixierung zu entwickeln. Dabei kommen neu entdeckte Enzyme zum Einsatz, die in der Lage sind, CO₂ in hohen Raten zu binden, ohne unerwünschte Nebenreaktionen zu verursachen. Ziel ist es, diese innovativen Ansätze auch in lebenden Organismen erfolgreich zu realisieren und damit eine neue Ära der biotechnologischen Anwendungen einzuleiten.
