Die Entwicklung der Bioraffinerien mit der Umstellung von zuckerbasierten Rohstoffen und Biomasse auf Technologien der dritten Generation (3G) markiert einen bedeutenden Fortschritt in Richtung einer nachhaltigen Entwicklung. 3G-Bioraffinerien nutzen mikrobielle Zellfabriken oder enzymatische Systeme, um Ein-Kohlenstoff-Quellen (C1) wie CO2 in Mehrwertchemikalien umzuwandeln, angetrieben durch erneuerbare Energien.
Trotz des Potenzials nativer C1-assimilierender Mikroben behindern Herausforderungen wie eine geringe Effizienz der Kohlenstofffixierung und ein begrenzter Produktumfang ihre Skalierbarkeit. Heterotrophe Mikroorganismen, die mithilfe synthetischer Biologie und computergestützter Werkzeuge entwickelt wurden, bieten eine vielversprechende Lösung für diese Herausforderungen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Effizienz der C1-Fixierung und der Produktivität gewünschter Verbindungen, wobei Chemo-Bio-Hybridsysteme Elektrizität und Licht als neue Strategien nutzen.
Im Oktober 2023 veröffentlichten drei Forscher aus Hangzhou, China, einen Übersichtsartikel mit dem Titel „Entwurf und Bau künstlicher biologischer Systeme zur Ein-Kohlenstoff-Nutzung“ In BioDesign-Forschung. In diesem Aufsatz werden bedeutende Fortschritte im letzten Jahrzehnt bei der Entwicklung von Bioraffinerien der dritten Generation (3G) diskutiert.
Diese Raffinerien konzentrieren sich auf die Verwendung von Ein-Kohlenstoff-Quellen (C1) wie CO2, Methanol und Formiat und nutzen künstliche autotrophe Mikroorganismen, Tandem-Enzymsysteme und Chemo-Bio-Hybridsysteme. Dieser Ansatz könnte die Biotechnologie revolutionieren und nachhaltige alternative Strategien für die industrielle Produktion bieten.
Im Mittelpunkt dieser Entwicklungen stehen natürliche CO2-Fixierungswege, die maßgeblich zur Entwicklung künstlicher Systeme für heterotrophe Mikroorganismen wie E. coli und Pichia pastoris beigetragen haben. Trotz dieser Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen wie Energieungleichgewichte, eine geringe Effizienz der Kohlenstofffixierung und das Fehlen nativer Methanolassimilationswege in bestimmten Heterotrophen.
Chemo-Bio-Hybridsysteme, die Elektrokatalyse und Biokatalyse kombinieren, versprechen eine effiziente CO2-Umwandlung. Allerdings müssen noch Probleme wie die Aufrechterhaltung der Metabolitenstabilität und der enzymatischen Aktivität angegangen werden.
Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist für den Erfolg dieser künstlichen biologischen Systeme bei der C1-Nutzung von entscheidender Bedeutung und kann möglicherweise transformative Auswirkungen auf verschiedene Branchen haben, darunter Pharmazie, Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion.
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Wei Zhong et al., Design und Konstruktion künstlicher biologischer Systeme zur Ein-Kohlenstoff-Nutzung, BioDesign-Forschung (2023). DOI: 10.34133/bdr.0021