„Kohlenstoffquelle der Zukunft“ – Mit Ameisensäure zur CO2-Neutralität

Veröffentlicht amAutorgh

Forschende entwickeln neues Verfahren zur nachhaltigen Nutzung von Kohlendioxid

Neue, synthetische Stoffwechselwege zur Fixierung von Kohlendioxid könnten zukünftig nicht nur dazu beitragen, den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre zu senken, sondern auch traditionelle Herstellungsverfahren für Pharmazeutika und Wirkstoffe durch kohlenstoffneutrale, biologische Prozesse ersetzen. Eine neue Untersuchung von Max-Planck-Forschenden zeigt auf, wie Kohlendioxid über das Zwischenprodukt Ameisensäure zu einem industriellen Wertstoff werden kann.

Ameisensäure, chemische Strukturformel

Angesichts steigender Treibhausgasemissionen ist die Abscheidung von Kohlendioxid aus großen Emissionsquellen ein wichtiges Thema. In der Natur findet die Assimilierung von CO2 seit Jahrmillionen statt, doch reicht ihr Potential längst nicht mehr aus, um den Ausstoß durch den Menschen zu kompensieren.

Forschende um Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie nutzen den Baukasten der Natur, um neue Wege der Fixierung von Kohlendioxid zu entwickeln. Nun ist es ihnen gelungen, einen künstlichen Stoffwechselweg zu entwickeln, über den aus Ameisensäure als möglichem Zwischenprodukt der künstlichen Fotosynthese das hochreaktive Formaldehyd entsteht. Dieses lässt sich unmittelbar und ohne toxische Wirkung direkt in mehrere Stoffwechselwege einspeisen, um weitere Wertstoffe bilden zu können. Wie im natürlichen Prozess sind dabei primär zwei Komponenten notwendig: Energie und Kohlenstoff. Erstere kann nicht nur durch direktes Sonnenlicht, sondern ebenso durch Strom geliefert werden – zum Beispiel aus Solarmodulen.

C1-Baustein Ameisensäure

Innerhalb der Wertschöpfungskette ist die Kohlenstoffquelle variabel. Hier kommt nicht nur Kohlendioxid in Frage, sondern sämtliche Einkohlenstoffe (C1-Bausteine): Kohlenmonoxid, Ameisensäure, Formaldehyd, Methanol und Methan. Allerdings sind beinahe alle dieser Substanzen hochgiftig – entweder für Lebewesen (Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Methanol) oder den Planeten (Methan als Treibhausgas). Hingegen ist Ameisensäure, zu ihrer Base Formiat neutralisiert, ungiftig und wird von vielen Mikroorganismen in hohen Konzentrationen toleriert.

„Ameisensäure ist eine Kohlenstoffquelle mit Zukunft“, betont Maren Nattermann, Erstautorin der open access in Nature Communications veröffentlichten Untersuchung. „Aber die Umwandlung zu Formaldehyd im Reagenzglas war bisher recht energieaufwändig.“ Denn das Salz der Ameisensäure, Formiat, lässt sich nicht ohne weiteres in Formaldehyd umwandeln. „Es gibt eine gravierende chemische Barriere zwischen den beiden Molekülen, die wir durch biochemische Energie – ATP – überbrücken müssen, bevor wir die eigentliche Reaktion durchführen können.“

Das Ziel der Forscherin war es, einen sparsameren Weg zu finden. Denn je weniger Energie es braucht, um Kohlenstoff in den Metabolismus einzuspeisen, desto mehr Energie verbleibt, um Wachstum oder Produktion voranzutreiben. Doch ein solcher Weg existiert in der Natur nicht. „Es braucht Kreativität, um sogenannte promiskuitive Enzyme mit mehreren Funktionen zu entdecken“, sagt Tobias Erb. „Die Entdeckung der Enzymkandidaten ist jedoch nur der Anfang. Wir reden hier von Reaktionen, bei denen man mitzählen kann, weil sie so langsam sind – teilweise pro Enzym weniger als eine Reaktion pro Sekunde. Natürliche Reaktionen schaffen auch schon mal das Tausendfache.“ Hier kommt die synthetische Biochemie ins Spiel: „Wenn man Enzymstruktur und -Mechanismus kennt, weiß man, wo einzugreifen ist, um es anzupassen. An diesem Punkt profitieren wir maßgeblich von Vorarbeiten aus der Grundlagenforschung“, so Maren Nattermann.

Hochdurchsatz-Technologie beschleunigt Enzym-Optimierung

Die Verbesserung der beteiligten Enzyme gelang durch die Kombination mehrerer Ansätze: einerseits wurden Bausteine gezielt ausgetauscht, andererseits zufällig Mutationen erzeugt und auf Tauglichkeit selektiert. „Formiat und Formaldehyd sind hier wunderbar geeignet, da sie durch Zellwände dringen. Wir können Formiat in das Nährmedium von Zellen geben, die unsere Enzyme bilden, und nach ein paar Stunden den produzierten Formaldehyd in einen ungiftigen gelben Farbstoff umwandeln“, erklärt Maren Nattermann.

Ohne den Einsatz von Hochdurchsatzverfahren wäre das Ergebnis in so kurzer Zeit nicht möglich gewesen. Dafür kooperierten die Forschenden mit dem Industriepartner Festo mit Sitz in Esslingen. „Nach etwa 4000 Varianten erzielten wir eine vierfache Verbesserung der Produktion“, sagt Maren Nattermann. „Damit haben wir die Grundlage geschaffen, das Modellbakterium Escherichia coli, das mikrobielle Arbeitspferd der Biotechnologie, auf Ameisensäure wachsen zu lassen. Allerdings können unsere Zellen Formaldehyd vorerst nur produzieren, nicht weiter umsetzen.“

Mit Kollaborationspartner Sebastian Wenk am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie entwickeln die Forschenden derzeit einen Stamm, der die Zwischenprodukte aufnehmen und in den zentralen Metabolismus einschleusen kann. Parallel dazu forscht das Team mit einer Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion unter Leitung von Walter Leitner an der elektochemischen Umwandlung von Kohlendioxid zu Ameisensäure. Das langfristige Ziel ist eine All-in-one Plattform – von Kohlendioxid über ein elektrobiochemisches Verfahren hin zu Produkten wie Insulin oder Biodiesel.

->Quellen: