Winzige Mikroben könnten große Vorteile für die grüne Bioproduktion mit sich bringen
Die Entdeckung könnte die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung von Kraftstoffen, Medikamenten und Chemikalien verringern
Wissenschaftler finden in Bakterien einen neuen Weg zur Dekarbonisierung der Industrie. Ein Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley hat Bakterien so entwickelt, dass sie neuartige Kohlenstoffprodukte produzieren, die einen leistungsstarken Weg zu nachhaltigen Biochemikalien darstellen könnten.
Bei Experimenten am Joint BioEnergy Institute des DOE beobachteten die Forscher, wie ein manipulierter Stamm des Bakteriums Streptomyces Cyclopropane produzierte, hochenergetische Moleküle, die potenziell für die nachhaltige Produktion neuartiger bioaktiver Verbindungen und fortschrittlicher Biokraftstoffe verwendet werden könnten.
Jing Huang/Berkeley Lab
Der vor kurzem in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Fortschritt nutzt Bakterien, um natürliche enzymatische Reaktionen mit einer neuartigen Reaktion, der so genannten "Carbenentransferreaktion", zu kombinieren. Diese Arbeit könnte eines Tages auch dazu beitragen, industrielle Emissionen zu reduzieren, da sie nachhaltige Alternativen zu chemischen Herstellungsprozessen bietet, die normalerweise auf fossile Brennstoffe angewiesen sind.
"Was wir in dieser Arbeit gezeigt haben, ist, dass wir alles in dieser Reaktion - von natürlichen Enzymen bis zu Carbenen - innerhalb der Bakterienzelle synthetisieren können. Man muss nur Zucker hinzufügen, und die Zellen erledigen den Rest", sagte Jay Keasling, einer der Hauptautoren der Studie und CEO des Joint BioEnergy Institute (JBEI) des Energieministeriums.
Carbene sind hochreaktive, auf Kohlenstoff basierende Chemikalien, die für viele verschiedene Arten von Reaktionen verwendet werden können. Seit Jahrzehnten wollen Wissenschaftler Carbenreaktionen bei der Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien sowie bei der Entdeckung und Synthese von Medikamenten einsetzen.
Diese Carbenprozesse konnten jedoch nur in kleinen Chargen in Reagenzgläsern durchgeführt werden und erforderten teure chemische Substanzen, um die Reaktion anzutreiben.
In der neuen Studie ersetzten die Forscher teure chemische Reaktanten durch natürliche Produkte, die von einem gentechnisch veränderten Stamm des Bakteriums Streptomyces produziert werden können. Da die Bakterien Zucker verwenden, um durch ihren Zellstoffwechsel chemische Produkte zu erzeugen, "ermöglicht uns diese Arbeit, die Carben-Chemie ohne giftige Lösungsmittel oder giftige Gase durchzuführen, die normalerweise bei der chemischen Synthese verwendet werden", so Erstautorin Jing Huang, Postdoktorandin am Berkeley Lab im Keasling Lab. "Dieser biologische Prozess ist viel umweltfreundlicher als die Art und Weise, wie Chemikalien heute synthetisiert werden", so Huang.
Während der Experimente am JBEI beobachteten die Forscher das manipulierte Bakterium bei der Verstoffwechselung und Umwandlung von Zuckern in den Carben-Vorläufer und das Alkensubstrat. Das Bakterium exprimierte auch ein weiterentwickeltes P450-Enzym, das diese Chemikalien zur Herstellung von Cyclopropanen nutzte, hochenergetischen Molekülen, die möglicherweise für die nachhaltige Produktion neuartiger bioaktiver Verbindungen und fortschrittlicher Biokraftstoffe verwendet werden könnten. "Wir können diese interessanten Reaktionen jetzt innerhalb der Bakterienzelle durchführen. Die Zellen produzieren alle Reagenzien und Kofaktoren, was bedeutet, dass man diese Reaktion für die Massenproduktion in sehr großem Maßstab durchführen kann", so Keasling.
Die Rekrutierung von Bakterien für die Synthese von Chemikalien könnte auch eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Kohlenstoffemissionen spielen, so Huang. Nach Angaben anderer Forscher des Berkeley Lab stammen fast 50 % der Treibhausgasemissionen aus der Produktion von Chemikalien, Eisen und Stahl sowie Zement. Um die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, müssen die Treibhausgasemissionen bis 2030 um die Hälfte reduziert werden, so ein aktueller Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen.
Huang sagte, dass dieses vollständig integrierte System zwar für eine große Anzahl von Carben-Donor-Molekülen und Alken-Substraten denkbar ist, aber noch nicht zur Marktreife gelangt ist.
"Für jeden neuen Fortschritt muss jemand den ersten Schritt machen. Und in der Wissenschaft kann es Jahre dauern, bis man Erfolg hat. Aber man muss es weiter versuchen - wir können es uns nicht leisten, aufzugeben. Ich hoffe, dass unsere Arbeit andere dazu inspirieren wird, weiter nach umweltfreundlicheren, nachhaltigen Lösungen für die Bioproduktion zu suchen", sagte Huang.
Diese Arbeit wurde durch das DOE Office of Science und das DOE Office of Biological and Environmental Research unterstützt. Zusätzliche Unterstützung wurde von der National Science Foundation gewährt.
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