Unter Verwendung der Evolution als Leitprinzip ist es Forschern gelungen, Bakterien-Hefe-Hybride zu entwickeln, die photosynthetische Kohlenstoffassimilation durchführen, Zellenergie erzeugen und Hefewachstum ohne traditionelle Kohlenstoffquellen wie Glukose oder Glycerin ermöglichen. Durch die Entwicklung photosynthetischer Cyanobakterien, die symbiotisch in Hefezellen leben, können die Bakterien-Hefe-Hybride wichtige Kohlenwasserstoffe produzieren und so neue biotechnische Wege zu nicht auf Erdöl basierender Energie, anderen synthetischen Biologieanwendungen und der experimentellen Erforschung der Evolution ebnen.
„Alle Zellen, die einen Zellkern haben, beherbergen auch eine Vielzahl von Organellen – wie Mitochondrien und Chloroplasten – die bestimmte Funktionen erfüllen und ihre eigene DNA enthalten“, sagte Angad Mehta, Chemieprofessor an der University of Illinois Urbana-Champaign, der das ausschließlich in Illinois ansässige Forschungsteam leitete. „Forscher hatten lange die Theorie aufgestellt, dass komplexe Lebensformen entstanden, als einer dieser Zelltypen in einem als Endosymbiose bezeichneten Prozess mit einem anderen verschmolz.“
In einer früheren Studie zeigte Mehtas Team, dass im Labor erzeugte Cyanobakterien-Hefe-Chimären oder Endosymbionten die Hefe zwar mit photosynthetisch erzeugtem ATP versorgen können, aber keinen Zucker liefern. In der neuen Studie entwickelte das Team Cyanobakterien so, dass sie Zucker abbauen und Glukose absondern. Anschließend kombinierte es sie mit Hefezellen, um Chimären zu schaffen, die in Gegenwart von CO2 wachsen können und dabei den von den Bakterien produzierten Zucker und die Energie nutzen.
Die neuen Studienergebnisse sind veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
Ausgestattet mit der Fähigkeit, aus einem nicht-photosynthetischen Organismus eine photosynthetische, chimäre Lebensform zu machen, konzentrierte das Team seine Forschung darauf herauszufinden, wie diese Chimären genutzt werden könnten, um mithilfe der Biotechnologie neue Stoffwechselwege zu schaffen, die unter photosynthetischen Bedingungen in der Lage sind, wertvolle Produkte wie Limonen zu produzieren, eine einfache Kohlenwasserstoffverbindung, die in Zitrusfrüchten vorkommt.
„Limonen ist ein relativ einfaches, aber wichtiges Molekül mit einem großen Markt“, sagte Mehta, der auch dem Carl R. Woese Institute for Genomic Biology angehört. „Diese Machbarkeitsstudie zeigt uns, dass wir in unseren Hybriden Wege schaffen können, um photosynthetisch Limonen zu produzieren, das zu einer Klasse von Molekülen namens Terpenoide gehört, die auch Vorläufer vieler hochwertiger Verbindungen wie Kraftstoffe, Krebs- und Malariamedikamente sind.“
Mehta sagte, dass die Ziele dieser Forschungslinie darin bestünden, herauszufinden, ob sich mit ihrer Methode komplexere Verbindungen wie Kraftstoffe und Pharmazeutika herstellen lassen. Wenn das der Fall ist, wollen sie daran arbeiten, den Prozess so zu skalieren, dass er marktfähig ist.
„Ich denke, es wäre unglaublich, wenn wir an den Punkt gelangen könnten, an dem wir sicherstellen könnten, dass jedes bisschen Kohlenstoff in einer hochwertigen Verbindung aus CO2 stammt“, sagte Mehta. „Das könnte in Zukunft eine Möglichkeit sein, CO2-Abfälle zu recyceln.“
Das Team sagte außerdem, dass es bei seinem Bestreben, endosymbiotische Systeme zu verstehen und zu perfektionieren, um die Biotechnologie voranzutreiben, nebenbei auch viele grundlegende evolutionäre Fragen beantworten werde.
„Das wird passieren, ob wir es wollen oder nicht“, sagte Mehta. „Wir behalten immer im Auge, wie unsere Arbeit einige der Rätsel hinter der Evolution des Lebens lösen kann. Meiner Ansicht nach besteht die beste Möglichkeit, endosymbiotische Systeme zu konstruieren, darin, den Evolutionsprozess im Labor nachzubilden. Antworten auf einige der größten Fragen der Biologie werden sich auf ganz natürliche Weise ergeben.“
An dieser Studie nahmen auch die Illinois-Forscher Yang-le Gao, Jason Cournoyer, Bidhan De, Catherine Wallace, Alexander Ulanov und Michael La Frano teil.
Weitere Informationen:
Yang-le Gao et al., Einführung der Kohlenstoffassimilation in Hefen durch photosynthetisch gesteuerte Endosymbiose, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49585-3