Einbau eines neu entdeckten Stoffwechselwegs macht Bakterien CO2-effizienter
WissenschaftlerInnen des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie, Marburg haben einen effizienteren, kohlenstoffdioxidsparenden Weg für die bakterielle Verwertung von Ethylenglykol, Bestandteil des Kunststoffs PET, entwickelt und am 08.02.2023 veröffentlicht. Sie rüsteten das Bakterium Pseudomonas putida mit einem neuen, in Meeresmikroben entdeckten Stoffwechselweg aus, was zu einem verbesserten Wachstum führte. Ihre Erkenntnisse bieten neue Chancen für den mikrobiellen Abbau von PET, aber auch die Weiterentwicklung nachhaltiger Materialkreisläufe.
– Foto © Veronika Neukum, Agentur Zukunft, für Solarify
Plastik ist überall. In 2017 betrug die jährliche Plastikproduktion weltweit 350 Millionen Tonnen. Eine erhebliche Menge davon gelangt in die Umwelt, und Plastikverschmutzung bedroht die Gesundheit und Lebensgrundlage aller Lebewesen und die Stabilität der Ökosysteme. Gleichzeitig gehen damit wertvolle Rohmaterialien verloren, die man auf nachhaltige Weise nutzbar machen könnte.
PET-Baustein Ethylenglykol: eine Schlüsselsubstanz im Wertstoffkreislauf
Eine Hoffnung der Forschung liegt auf dem möglichen Abbau bzw. der Verwertung von Plastik durch Mikroorganismen. Seit im Jahr 2016 die “PET-fressende” Bakterienart Ideonella sakaiensis entdeckt wurde, konzentrierten sich viele Forschungen auf PET (Polyethylenterephthalat), das vor allem für die Produktion von Wasserflaschen genutzt wird. Der Grundbaustein von PET, das C2-Molekül Ethylenglykol, findet zudem als Frostschutz- oder Lösungsmittel Anwendung. Auch kann es elektrochemisch aus Syngas erzeugt werden, was es zu einer Schlüsselkomponente zukünftiger kohlenstoffneutraler Biotechnologien macht. Daher ist die Entwicklung von Bakterienstämmen mit verbesserter Ethylenglykol-Umsetzung nicht nur im Hinblick auf das Upcycling von PET wichtig, sondern auch im größeren Kontext, nämlich der Schaffung nachhaltiger industrieller Wertstoffkreisläufe für diese allgegenwärtige Chemikalie.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, dem Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie und der Universität Leiden gelang nun ein entscheidender Schritt in Richtung nachhaltiger Wertstoffnutzung. Indem sie das biotechnologisch relevante Bakterium Pseudomonas putida mit einem neuen Stoffwechselweg ausrüsteten, erhöhten sie dessen Kapazität, Ethylenglykol zu verarbeiten.
Damit baute das Forscherteam auf einer früheren Arbeit auf, der Entdeckung eines Stoffwechselweges in marinen Mikroorganismen, der C2– Moleküle besonders effizient umsetzt, der Beta-Hydroxyaspartat-Zyklus (BHAC). Mit Methoden der synthetischen Biologie und gerichteten Evolution gelang ihnen der Einbau dieses Weges in das Bakterium.
Gerichtete Evolution schafft noch mehr Effizienz
“Der BHAC ist ein eleganter Stoffwechselzyklus, in dem der Kohlenstoff des Ethylenglykols ohne CO2-Freisetzung recycelt wird. Er ist also im Hinblick auf die Kohlenstoff- und Energiebilanz deutlich vorzuziehen. Mit ihm kann unser neu entwickelter Bakterienstamm den Grundbaustein des PET weitaus effizienter verarbeiten“, sagt Lennart Schada von Borzyskowski, einer der Hauptautoren und Mit-Initiator der Studie. Er führte seine Experimente im Rahmen seiner postdoktoralen Forschung am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg durch und kooperierte dabei mit der Gruppe von Arren Bar-Even am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm.
Helena Schulz-Mirbach, Co-Autorin der Studie, erklärt: “Zunächst wiesen wir anhand ausgesuchter E. coli-Stämme nach, dass die synthetisch modifizierten Bakterien auch nach Einbau eines BHA-Teilstücks in der Lage sind, die gesamte zelluläre Biomasse zu bilden. Nach anschließendem Einbau des gesamten BHAC war der neue P. putida-Stamm sofort in der Lage, auf Ethylenglykol zu wachsen. Auch führte der Einbau zu Veränderungen im zentralen Kohlenstoffmetabolismus des Wirtes. Und drittens konnten wir mit einer gezielten Laborevolution Mutationen erzeugen, welche das Wachstum des veränderten Stammes auf Ethylenglykol weiter verbesserten – und zwar um ein 35% schnelleres Wachstum mit einer 20%igen Erhöhung der Biomasse.“
Ein neues Modul für die synthetische Biologie
„Die Entwicklung nachhaltiger Wertstoffkreisläufe ist vermutlich die größte Herausforderung unserer Zeit,” sagt Tobias Erb, Direktor am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie und Koordinator der Studie. ”Mikrobieller Plastikabbau ohne CO2-Freisetzung ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines geschlossenen Kohlenstoffzyklus.“
“Die Studie zeigt das hohe Potential des BHAC-Stoffwechselweges als ein “Plug-and-Play” Stoffwechsel-Modul für die synthetische Biologie,“ ergänzt Lennart Schada von Borzyskowski, der mittlerweile Professor an der Universität Leiden in den Niederlanden ist. „Kürzlich haben wir damit begonnen, den BHAC auch in anderen Organismen zu testen, zum Beispiel in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Hier konnten wir zeigen, dass der BHAC die pflanzliche Fotosynthese effizienter macht, indem die Pflanze mehr CO2 einbehalten kann. Diese Ergebnisse sind sehr vielversprechend im Hinblick auf Forschungen an CO2-sparenden Stoffwechselwegen für die Biotechnologie und Agrarwirtschaft.“
->Quellen:
- mpi-marburg.mpg.de/2023-02-a
- Originalveröffentlichung: Schada von Borzyskowski, L., Schulz-Mirbach, H., Troncoso Castellanos, M., Severi, F., Gomez Coronado, P.A., Paczia, N., Glatter, T., Bar-Even, A., Lindner, S.N., Erb, T.J.: Implementation of the beta-hydroxyaspartate cycle increases growth performance of Pseudomonas putida on the PET monomer ethylene glycol, in: Metabolic Engineering 76, 97-109 (2023), https://dx.doi.org/10.1016/j.ymben.2023.01.011