Wissenschaftler entwickeln einen künstlichen Stoffwechselweg, der Elektrizität zur Produktion von ATP nutzt

Wenn die Natur chemische Reaktionen durchführt, um aus einfachen Molekülen energiereiche Verbindungen zu erzeugen, benötigt sie Energie. Bisher war es nicht möglich, vom Menschen erzeugte Elektrizität zu nutzen, um diese biochemischen Prozesse anzutreiben.

Forschern am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg ist jedoch ein Durchbruch gelungen: Sie haben einen künstlichen Stoffwechselweg entwickelt, der mithilfe von Strom ATP produziert, einen biochemischen Energieträger, aus dem sich dann energiereiche chemische Verbindungen wie Stärke bilden lassen Eiweiß. Der Stoffwechselweg bietet einen völlig neuen Ansatz für eine nachhaltige, klimaneutrale Bioökonomie.

Das Team von Tobias Erb am Max-Planck-Institut in Marburg erforscht derzeit, wie sich mithilfe der synthetischen Biologie aus einfachen Molekülen komplexe Ressourcen aufbauen lassen. Mithilfe eines am Institut entwickelten künstlichen Photosyntheseverfahrens ist es ihnen bereits gelungen, Kohlendioxid in verschiedene wertvolle Rohstoffe wie Antibiotika oder Biokraftstoffe umzuwandeln. Ihre Lösung imitiert und verbessert somit die Art und Weise, wie die Photosynthese in Pflanzen Kohlendioxid umwandelt.

Aber genau wie der natürliche Prozess, den es zu verbessern versucht, erfordert die synthetische Photosynthese Energie. Die chemische Energiewährung in der Natur ist Adenosintriphosphat (ATP). Seine Energie liegt in der chemischen Bindung: Durch das Aufbrechen dieser Bindungen wird Energie freigesetzt, die biochemische Prozesse antreiben kann.

ATP über elektrischen Strom

Nachhaltige Alternativen zu fossilen Brennstoffen sind Solar- oder Windenergie. Aber es gab noch nie eine Möglichkeit, vom Menschen erzeugten Strom direkt in biochemische Reaktionen einzuspeisen. Tobias Erb und sein Team haben nun eine Enzymkaskade entwickelt, die über elektrischen Strom ATP produzieren kann. Die als „AAA-Zyklus“ bezeichnete Enzymkaskade besteht aus vier Biokatalysatoren. Das erste und wichtigste Enzym, Aldehyd-Ferredoxin-Oxidoreduktase (AOR), reduziert eine Säure zu einem Aldehyd.

„Die elektrische Energie wird in der Aldehydbindung gespeichert. Die verbleibenden drei Enzyme sind für die Regeneration des Aldehyds verantwortlich. Bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt, die zur Erzeugung von ATP genutzt wird“, erklärt Shanshan Luo, Erstautorin der Studie. Das ATP aus dem AAA-Zyklus kann verwendet werden, um chemische Reaktionen anzutreiben, beispielsweise die Produktion von Glucose-6-phosphat, dem Baustein für Stärke. Es kann auch zur Proteinsynthese verwendet werden.

Die Forscher entdeckten die AOR in einem wissenschaftlich noch wenig bekannten Bakterium namens Aromaticum aromatoleum. Forschern am Zentrum für Synthetische Mikrobiologie der Universität Marburg gelang es, die Mikrobe unter sauerstofffreien Laborbedingungen zu kultivieren, um ihre Fähigkeit zum Abbau von Erdöl in der Natur zu untersuchen. Nun bildet diese zufällige Entdeckung den Kern des AAA-Zyklus.

„Es war noch nie möglich, ATP-abhängige biochemische Reaktionen mit Strom anzutreiben. Der AAA-Zyklus ist nun in der Lage, elektrische Energie direkt in biochemische Energie umzuwandeln“, sagt Tobias Erb, Direktor am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie. „Dadurch können energiereiche Wertstoffe wie Stärke, Biokraftstoffe oder Proteine ​​aus einfachen Zellbausteinen synthetisiert werden – in Zukunft sogar aus Kohlendioxid. Möglicherweise könnten sogar biologische Moleküle zur Speicherung elektrischer Energie genutzt werden.“

Schnittstelle zwischen Elektrizität und Biologie

Bevor der neue Proof-of-Concept jedoch in der Praxis zum Einsatz kommen kann, sind noch umfangreiche Forschungsarbeiten erforderlich. Den Enzymen mangelt es noch an Stabilität und sie zerfallen, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden. Derzeit werden nur geringe Energiemengen umgewandelt. Bevor diese Innovation im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann, steht den Forschern also noch viel Arbeit bevor.

„In Zukunft könnte es möglich sein, dass der AAA-Zyklus an der Schnittstelle zwischen Strom einerseits und Biologie andererseits operiert. Die direkte Einspeisung von Strom in chemische und biochemische Reaktionen ist jedoch ein echter Durchbruch“, sagt Erb.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Joule.