Ein Forschungsteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley hat Bakterien so manipuliert, dass sie neuartige Kohlenstoffprodukte produzieren, die einen leistungsfähigen Weg zu nachhaltigen Biochemikalien darstellen könnten.
Der Vorschuss – der kürzlich im Journal angekündigt wurde Natur– verwendet Bakterien, um natürliche enzymatische Reaktionen mit einer in der Natur neuartigen Reaktion zu kombinieren, die als „Carbentransferreaktion“ bezeichnet wird. Diese Arbeit könnte eines Tages auch dazu beitragen, industrielle Emissionen zu reduzieren, da sie nachhaltige Alternativen zu chemischen Herstellungsprozessen bietet, die normalerweise auf fossilen Brennstoffen beruhen.
„Was wir in diesem Artikel gezeigt haben, ist, dass wir alles in dieser Reaktion – von natürlichen Enzymen bis hin zu Carbenen – innerhalb der Bakterienzelle synthetisieren können. Alles, was Sie hinzufügen müssen, ist Zucker und die Zellen erledigen den Rest“, sagte Jay Keasling, einer der Hauptforscher der Studie und CEO des Joint BioEnergy Institute (JBEI) des Energieministeriums.
Carbene sind hochreaktive Chemikalien auf Kohlenstoffbasis, die in vielen verschiedenen 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 Arzneimitteln nutzen.
Diese Carbenprozesse konnten jedoch nur in kleinen Chargen über Reagenzgläser durchgeführt werden und erforderten teure chemische Substanzen, um die Reaktion voranzutreiben.
In der neuen Studie ersetzten die Forscher teure chemische Reaktanten durch Naturstoffe, die von einem gentechnisch veränderten Stamm des Bakteriums Streptomyces produziert werden können.
Da die Bakterien Zucker zur Herstellung chemischer Produkte durch den Zellstoffwechsel verwenden, „ermöglicht uns diese Arbeit, die Carbenchemie ohne giftige Lösungsmittel oder giftige Gase durchzuführen, die typischerweise in der chemischen Synthese verwendet werden“, sagte Erstautor Jing Huang, ein Postdoktorand des Berkeley Lab in Keasling Labor. „Dieser biologische Prozess ist viel umweltfreundlicher als die Art und Weise, wie Chemikalien heute synthetisiert werden“, sagte Huang.
Während Experimenten am JBEI beobachteten die Forscher, wie das gentechnisch veränderte Bakterium Zucker metabolisierte und in den Carbenvorläufer und das Alkensubstrat umwandelte. Das Bakterium exprimierte auch ein weiterentwickeltes P450-Enzym, das diese Chemikalien zur Herstellung von Cyclopropanen verwendete, hochenergetische Moleküle, 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 Cofaktoren, was bedeutet, dass Sie diese Reaktion auf sehr großen Maßstab für die Massenproduktion skalieren können“, sagte Keasling.
Die Rekrutierung von Bakterien zur Synthese von Chemikalien könnte auch eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen spielen, sagte Huang. Laut anderen Berkeley Lab-Forschern Nahezu 50 % der Treibhausgasemissionen stammen aus der Produktion von Chemikalien, Eisen und Stahl sowie Zement. Die Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau erfordert eine drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis 2030, sagt er ein aktueller Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen.
Huang sagte, dass dieses vollständig integrierte System zwar für eine große Anzahl von Carben-Donormolekülen und Alkensubstraten ins Auge gefasst werden kann, aber noch nicht kommerzialisiert 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, unsere Arbeit wird andere dazu inspirieren.“ weiterhin nach umweltfreundlicheren, nachhaltigen Lösungen für die Bioherstellung suchen“, sagte Huang.
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Jing Huang et al, Vollständige Integration der Carben-Transfer-Chemie in die Biosynthese, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06027-2