13.03.2020 - Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie

Nachhaltige Nutzung von CO2 mittels eines modifizierten Bakteriums

Einem Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm unter Leitung von Dr. Arren Bar-Even ist es gelungen, die Ernährung des Bakteriums E. coli so umzuprogrammieren, dass es Ameisensäure oder Methanol als einzige Nahrungsquelle nutzen kann. Diese einfachen organischen Verbindungen lassen sich sehr effizient durch elektrochemische Verfahren aus Kohlenstoffdioxid (CO2) herstellen, sodass dieses Treibhausgas zukünftig sinnvoll genutzt werden könnte und sein Beitrag am Klimawandel sinkt.

Neue Wege zur bioökonomischen Nutzung von CO2

Obwohl Kohlenstoffdioxid (CO2) nur einen Anteil von 0,04% der Luft darstellt, gehört es zu den Treibhausgasen, die mitverantwortlich sind für die Erderwärmung und den Klimawandel. Eine Möglichkeit zur Bekämpfung des Klimawandels besteht darin, CO2 aus der Atmosphäre 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 aufzufangen und zu verwerten, es also zu recyceln bevor es in die Luft gelangt. Grundsätzlich besitzt CO2 das Potenzial, fossile Brennstoffe als Ausgangsmaterial für die Produktion von kohlenstoffbasierten Chemikalien, einschließlich Kraftstoffen, abzulösen. Ziel der gerade aktuell von der Bundesregierung verabschiedeten Bioökonomiestrategie ist es, biologische Ressourcen stärker zu nutzen und mit Hilfe biologischen Wissens und Innovationen unseren Bedarf an Rohstoffen, Produkten und Dienstleistungen zu decken. Diese Strategie beinhaltet auch die Möglichkeit Abfallprodukte wie CO2 zu verwerten um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu etablieren. Eine Möglichkeit zur Verwertung von CO2 besteht darin, es in einfache Verbindungen zu überführen und diese als Nahrungsquelle für Mikroorganismen zu nutzen. Die Mikroorganismen wandeln die Stoffe wiederum in hochwertige Verbindungen um, die dann fossile Brennstoffe ersetzen könnten.

Einen solchen innovativen Ansatz verfolgten Forscher um Arren Bar-Even vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. Ihre Idee dabei: die Einbringung eines neuen Stoffwechselweges in das Bakterium Escherichia coli (Kolibakterium), damit dieses sich statt wie üblich von Zuckern, ausschließlich von organischen Verbindungen wie Ameisensäure oder Methanol, ernährt. Beide Verbindungen können sehr effizient und kostengünstig aus CO2 hergestellt werden. Da E. coli sehr gut erforscht und einfach zu kultivieren ist, wird es für industrielle Produktionsverfahren, zum Beispiel zur Herstellung von Insulin oder Aminosäuren bereits jetzt schon eingesetzt. Gelingt es, E. coli mittels Ameisensäure oder Methanol zu kultivieren, könnte man einen Stoffkreislauf schaffen, der CO2 - über Ameisensäure und Methanol - in wertvollere Produkte überführt mit Hilfe von modifizierten Mikroorganismen.

Entwicklung eines neuen Stoffwechselweges

Damit E. coli Ameisensäure in Biomasse umwandelt, waren einige wichtige Veränderungen nötig. So musste zunächst ein völlig neuer Syntheseweg für Glycin und Serin entworfen werden, welcher die Herstellung dieser Aminosäuren ausgehend von Ameisensäure sicherstellt. Weiterhin mussten die dafür benötigten Gene in das Bakteriengenom eingefügt werden. Die Wissenschaftler gliederten die benötigten Gene in vier Module. Das erste Modul bestand aus 3 Genen des Bakteriums Methylobacterium extorquens, mit denen die Verstoffwechselung der Ameisensäure startete. Das zweite Modul beinhaltete drei in E. coli natürlich vorkommende Gene, deren Ableserate (Expression) vielfach erhöht wurde. Die Einbringung von den ersten zwei Modulen führte dazu, dass E. coli in der Lage war, Ameisensäure in die Aminosäuren Glycin und Serin umzuwandeln. Das dritte Modul bestand wiederum aus zwei natürlicherweise in E. coli vorkommenden Genen, deren Expression erhöht wurde, damit als Endprodukt des neuen Synthesewegs Pyruvat gebildet wird. Dieser Stoff ist ein wichtiger Ausgangsstoff für viele weitere zentrale Stoffwechselwege, die letztendlich zur Produktion von Biomasse führen. Zu Guter Letzt wurde ein Gen aus dem Bakterium Pseudomonas sp. eingebracht, um die Energie für das Zellwachstum bereitzustellen (Modul 4).

Durch Evolution im Labor zu verbessertem Wachstum

Um die Wachstumsrate zu steigern, kultivierten die Forscher das mit allen Modulen ausgestattete Bakterium in Teströhrchen. Sobald die Zelldichte, nach etwa 3 – 6 Tagen, einen Schwellenwert überschritt, verdünnten Sie die Bakterien und starteten mit einer neuen Bakterienkultur den nächsten 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 zurückgeführt werden, die während dieser „adaptiven Labor-Evolution“ im E. coli Genom entstanden waren und die gesteigerte Wachstumsrate bedingten.

In einer ähnlichen Studie des Weizman-Instituts in Israel von November 2019, die in der Fachzeitschrift „CELL“ erschienen ist und an der Arren Bar-Even als Kooperationspartner beteiligt war, wurde ein genetisch verändertes E. coli-Bakterium vorgestellt, dem es möglich war mittels Ameisensäure und CO2 zu wachsen. Im Vergleich mit der in „CELL“ veröffentlichten 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 Ameisensäure umwandeln, welche wiederum wie bereits beschrieben in Biomasse umgesetzt wird.

Somit haben die Forscher in ihrer eindrucksvollen Arbeit bewiesen, dass Bakterien durch genetische Modifikationen umprogrammiert werden können, um neue Nahrungsquellen zu nutzen. Dies stellt die Grundlage dafür dar, zukünftig weitere Organismen mit neuen Stoffwechselwegen auszustatten und diese industriell zu nutzen. Durch die weitere Entwicklung des Methanol- oder Ameisensäure-verzehrenden Bakteriums erhoffen sich die Forscher damit bald auch hochwertige Chemikalien herstellen zu können.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Serin
  • Pyruvat
  • Bakterien
Mehr über MPI für molekulare Pflanzenphysiologie
  • News

    Der chemische Fingerabdruck des Weins

    Innovative analytische Methoden der Inhaltsstoffbestimmung (Metabolomics) in Kombination mit ausgefeilten statistischen Verfahren erlauben erstmalig die Unterscheidung von Rebsorten, Herkunftsorten, Jahrgängen sowie Qualitäten von Wein allein aufgrund seiner Inhaltsstoffe - seines chemische ... mehr

    Wasserstoff aus Mikroalgen

    Das Institut für Chemie/Physikalische Chemie der Universität Potsdam hat vom Projektträger Jülich einen Zuwendungsbescheid in Höhe von 273.000 Euro für die Forschungsarbeit am Verbundvorhaben "HydroMicPro - Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produkt ... mehr

    Eine neue Generation von Pflanzenschutzmitteln

    Herbizide, die beispielsweise in den Kohlenhydrat- und Stickstoffhaushalt eingreifen, schaden Pflanzen. Ihre Blätter bilden weniger Chlorophyll aus (Chlorose) oder das Blattgewebe stirbt ab (Nekrose). Die Folge: Die Pflanzen können keine Fotosynthese mehr betreiben und gehen ein. Neue Wirks ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Umweltfreundliche Produktion von Mandelsäure

    Manchmal sind potenziell nützliche Enzyme nicht leicht zu erkennen, weil manche ihrer enzymatischen Fähigkeiten außerhalb des natürlichen und damit bekannten Wirkbereiches liegen. Eine solche Entdeckung machte ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie unter d ... mehr

    Das Higgs-Teilchen und die Supraleitung

    Ohne den Higgs-Mechanismus hätten Teilchen keine Masse. Daher wird das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen auch Gottesteilchen genannt. Es entsteht als schwingende Anregung des Higgs-Feldes, das die Welt durchdringt. Interessanterweise zeigt Supraleitung ähnliche Eigenschaften. Ihre quantenmechan ... mehr

    Fotosynthese im Tropfen

    Pflanzen können es bereits seit Jahrmillionen: Kohlendioxid aus der Luft mithilfe von Sonnenenergie nutzbar machen. Künstliche Zellen als nachhaltige und umweltschonende Bioreaktoren zu bauen, dieser Herausforderung ist das Max-Planck-Forschungsnetzwerk MaxSynBio auf der Spur. Ein Max-Planc ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr