Eine bedeutende Entdeckung in der synthetischen Biologie wurde kürzlich am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie gemacht. In einem Bioreaktor-Experiment zeigten Forscher, dass das Bakterium Cupriavidus necator in der Lage ist, mit einem optimierten synthetischen Stoffwechselweg auf der Basis von Ameisensäure und CO₂ mehr Biomasse zu produzieren als der natürliche Bakterienstamm. Diese Studie, unter der Leitung von Tobias Erb, wurde am 27. Februar 2025 in der Fachzeitschrift Nature Microbiology veröffentlicht und markiert einen wichtigen Fortschritt in der Effizienz der CO₂-Fixierung.

Traditionell erfolgt die natürliche CO₂-Fixierung hauptsächlich über den Calvin-Zyklus, der sich als ineffizient hinsichtlich der Biomasseproduktion herausgestellt hat. Schätzungen zufolge werden fast 90 Prozent des globalen Kohlenstoffkreislaufs durch diesen Weg gebunden. Um die Effizienz zu steigern, wurden alternative künstliche Zyklen wie der CETCH- und THETA-Zyklus entwickelt, die jedoch bislang nur begrenzt in lebenden Organismen implementiert werden konnten. mpg.de verweist auf die Herausforderung, solche künstlichen Wege erfolgreich zu integrieren, wobei bisherige Versuche oft gescheitert sind.

Optimierung des reduktiven Glycinwegs

In der neuen Studie nutzen die Forscher mobile DNA-Elemente, um die Effizienz des reduktiven Glycinwegs zu steigern, welcher als der vielversprechendste Ansatz zur Assimilation von Ameisensäure identifiziert wurde. In einem ersten Schritt wurde der gesamte Weg im Genom von Cupriavidus necator integriert und optimiert. Dies führte dazu, dass der optimierte Stamm signifikant mehr Biomasse produzierte als der natürliche Stamm, obwohl das Wachstum langsamer war. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass durch adaptive Laborevolution die Wachstumsrate weiter gesteigert werden kann.

Die Überführung des reduktiven Glycinwegs in Cupriavidus necator ist ein zentraler Punkt dieser Forschung. Diese Methode könnte die Grundlage für eine neue Form von Biomasseproduktion bilden, die nachhaltiger und effizienter ist. Der endgültige Wachstumsansatz erreicht dabei bereits eine Biomasseproduktion, die nahezu mit den traditionellen Methoden vergleichbar ist. pubmed.ncbi.nlm.nih.gov zeigt, dass Cupriavidus necator auch auf Formiat, einem vielversprechenden mikrobiellen Ausgangsmaterial für nachhaltige Bioproduktion, wachsen kann.

Die Zukunft der nachhaltigen Bioproduktion

Die Studie stellt daher einen bedeutsamen Schritt in Richtung einer Formiat-Bioökonomie dar. Forscher sind optimistisch, dass die neu gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung innovativer biotechnologischer Verfahren führen werden. Ameisensäure könnte nicht nur als chemischer Energieträger zur Speicherung erneuerbarer Energien dienen, sondern auch die bestehenden Bioproduktionen revolutionieren.

Umfassende Entwicklungen in der synthetischen Biologie und die Entdeckung neuer Wege zur CO₂-Bindung haben das Potenzial, unseren Umgang mit Kohlenstoffdioxid und dessen Umwandlung in nützliche organische Verbindungen grundlegend zu verändern. Diese Fortschritte stärken die Forschung im Bereich der nachhaltigen Ressourcen, wie sie in der Natur zu finden sind, und könnten die ökologischen Auswirkungen der industriellen Produktion signifikant reduzieren.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das Team unter Tobias Erb mit dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zur synthetischen Biologie geleistet hat und innovative Möglichkeiten aufzeigt, CO₂ effizienter zu nutzen. uni-marburg.de legt dar, dass weitere experimentelle Ergebnisse und Fortschritte in der Optimierung des Mikrobiellen Stoffwechsels bevorstehen.