ReForm-Weg verwandelt CO2 in Acetyl-CoA für nachhaltige Materialien

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln inzwischen Verfahren, mit denen sich industrielle CO2-Emissionen in genau jene Ausgangsstoffe verwandeln lassen, aus denen Alltagsprodukte wie Kunststoffe und Medikamente entstehen.

Statt Kohlendioxid weiterhin Wärme in der Atmosphäre speichern zu lassen, betrachtet diese Technologie das Gas als Kiste voller „Kohlenstoff-LEGO-Steine“, aus denen sich eine nachhaltigere Zukunft bauen lässt.

Der ReForm-Weg

Forschende entwickelten und benannten den Reduktiven Formiat-Weg, kurz ReForm-Weg, der CO2 außerhalb lebender Zellen in Acetyl-CoA umwandeln soll.

Acetyl-CoA ist ein kleines, aber unverzichtbares Molekül, das Zellen nutzen, um Nahrung in Energie umzusetzen. Wenn der Körper Kohlenhydrate, Fette und Proteine abbaut, werden deren Bestandteile häufig zu Acetyl-CoA weitergeleitet.

Anschließend transportiert Acetyl-CoA ein kleines chemisches Paket, die sogenannte Acetylgruppe, in den Citratzyklus, wo die Zellen es „verbrennen“.

Dabei wird Energie frei, die der Körper auffängt, um ATP herzustellen – die wichtigste Energiewährung für die Arbeit der Zellen.

Die Studie verdeutlicht, wie sich entwickelte Enzyme, durch Elektrizität gewonnene Kohlenstoff-Ausgangsstoffe und zellfreie Systeme verbinden lassen, um CO2 zu nützlichen chemischen Bausteinen zu recyceln. Damit werden die Beschränkungen lebender Zellen umgangen und neue Möglichkeiten für Materialien mit geringerem CO2-Fußabdruck aufgezeigt.

CO2 in Acetyl-CoA umwandeln

Geleitet wurde die Arbeit von Ashty Karim, Ph.D., an der Northwestern University; Mitarbeitende der Stanford University halfen bei der Zusammenstellung des Weges.

Ihre Forschung konzentriert sich auf die Konstruktion von Enzymwegen für das Kohlenstoffrecycling. Dieser Schwerpunkt erleichtert es, den ReForm-Weg zu optimieren.

„Die ungebremste Freisetzung von CO2 hat für die Menschheit zahlreiche dringende gesellschaftliche und wirtschaftliche Probleme verursacht“, sagte Ashty Karim von Northwestern.

„Wenn wir diese globale Herausforderung bewältigen wollen, brauchen wir dringend neue Wege für eine kohlenstoffnegative Herstellung von Gütern.

Ein zellfreier Aufbau ermöglicht es Forschenden, jede einzelne Zutat direkt zu steuern. Als Ausgangsstoff dient Formiat, eine einfache Kohlenstoffverbindung, die in Wasser gelöst bleibt und sich als Flüssigkeit lagern lässt.

Da Formiat bereits Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, können Enzyme größere Moleküle erzeugen, indem sie Bindungen Schritt für Schritt hinzufügen. Das ist allerdings nur dann hilfreich, wenn die nachfolgenden Schritte effizient ablaufen – genau hier soll der ReForm-Weg ansetzen.

Elektrizität als Ausgangsstoff für den ReForm-Weg

Bei einer elektrochemischen Reduktion wird Elektrizität eingesetzt, um Elektronen hinzuzufügen und Moleküle zu verändern. So kann CO2 zu Formiat werden, das Enzyme als Ausgangsstoff nutzen können.

Die selektive Aufbauarbeit übernehmen Enzyme, weil Proteine bestimmte Formen und Bindungen bevorzugen. Hybridsysteme könnten schwankend erzeugten Strom in lagerfähige Flüssigkeiten und Feststoffe überführen, doch dabei müssen Ingenieurinnen und Ingenieure Effizienz, Kosten und Haltbarkeit gegeneinander abwägen.

Lebende Zellen können viele Nahrungsstoffe in Energie und Bauteile umwandeln, doch die meisten können Formiat nur schwer als wichtigste Kohlenstoffquelle verwenden.

Eine Zelle muss während der Verarbeitung von Formiat zugleich am Leben bleiben. Dieser Balanceakt begrenzt, wie viel Kohlenstoff die Produktmoleküle erreicht.

„ReForm kann ohne Weiteres unterschiedliche Kohlenstoffquellen nutzen, darunter Formiat, Formaldehyd und Methanol“, sagte Michael Jewett von Stanford, der die Studie gemeinsam mit Karim leitete.

„Dies ist der erste Nachweis einer Architektur für einen synthetischen Stoffwechselweg, die dazu in der Lage ist. Durch die Verbindung von Elektrochemie und synthetischer Biologie erweitert der ReForm-Weg zudem die möglichen Lösungen für verallgemeinerbare Strategien zur CO2-Fixierung.“

Schnelles Screening identifiziert funktionierende Enzyme

Um die passenden Enzymvarianten zu finden – leicht unterschiedliche Proteinversionen, die durch Veränderungen von Aminosäuren entstehen –, waren schnelle Tests außerhalb von Zellen erforderlich.

Mithilfe zellfreier Extrakte prüfte das Team 66 Enzymkandidaten aus zahlreichen Arten und behielt anschließend nur die leistungsstärksten Varianten.

Die Kontrolle im Labor kann die Entwicklung von Prototypen beschleunigen. Dennoch muss jede Rezeptur weiterhin hinsichtlich Enzymmengen und Hilfsmolekülen auf ihre Ausbeute abgestimmt werden.

Der Weg erforderte nicht natürliche Reaktionen, also chemische Schritte, die in keinem Organismus vorkommen, um Kohlenstoff aus Formiat schrittweise aufzubauen.

Die Forschenden gestalteten fünf Enzyme um, sodass jedes von ihnen entweder ein Kohlenstofffragment aufnimmt oder dieses reduziert und danach an das nächste Enzym weitergibt.

„Üblicherweise testen Menschen nur eine Handvoll Enzyme, und das dauert Monate oder länger“, sagte Karim.

Acetyl-CoA und der ReForm-Weg

Warum sollte man einen Stoffwechselweg – eine Kette enzymatischer Reaktionen, die Moleküle schrittweise verändert – zunächst entwerfen, bevor überhaupt ein Enzym ein Reagenzglas berührt?

Im ReForm-Weg wandeln sechs Schritte Formiat in Acetyl-CoA um, indem Kohlenstoff hinzugefügt und Elektronen über Hilfsmoleküle übertragen werden.

Acetyl-CoA speist zahlreiche Wachstums- und Speicherreaktionen. Seine Herstellung schafft daher einen flexiblen Ausgangspunkt für die Produktion vieler weiterer Chemikalien.

Viele Enzyme benötigen einen Cofaktor, ein Hilfsmolekül, das für chemische Schritte Elektronen überträgt und die Enzyme aktiv hält.

Durch die Anpassung der Cofaktormengen und Enzymbeladungen erhöhten die Forschenden die Reaktionsgeschwindigkeiten. Das ist besonders wichtig, wenn viele Schritte denselben Vorrat nutzen.

In einem Reagenzglas lassen sich diese Stellgrößen einfach verändern, doch in großen Reaktoren wird ihre Steuerung durch Grenzen bei Wärme und Durchmischung schwieriger.

Dringender Bedarf an Kohlenstofflösungen

Menschliche Aktivitäten haben die Erde seit 1850–1900 um etwa 1,1 °C (2,0 °F) erwärmt; diese Erwärmung macht das Recycling von CO2 dringend erforderlich.

Ein Verfahren gilt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nur dann als kohlenstoffnegativ – es entfernt also mehr CO2, als es ausstößt –, wenn sein Energieverbrauch bei Abscheidung und Produktion insgesamt niedrig bleibt.

Lebenszyklusprüfungen summieren die Emissionen aus Strom und Anlagen auf und zeigen anschließend, ob eine auf ReForm basierende Produktion die Erwärmungsgase tatsächlich verringert.

Nächste Schritte für die Wiederverwendung von Kohlenstoff

Eine effizientere Kohlenstofffixierung, also die Umwandlung von CO2 in organische Moleküle, setzt schnelle Reaktionen voraus, die wenig Energie verschwenden.

Karims Team will die Leistung der Enzyme weiter verbessern und alternative Wege untersuchen, weil sich kleine Fortschritte in jedem einzelnen Schritt summieren können.

„Von hier aus können wir uns vorstellen, dass diese Arbeit in einige unterschiedliche Richtungen weitergeht“, sagte Karim.

Der ReForm-Weg zeigt insgesamt, wie entwickelte Enzyme abgeschiedenen Kohlenstoff ohne lebende Organismen in verbreitete Bausteine umwandeln können.

Der künftige Erfolg hängt von sauberem Strom, langlebigen Enzymen und einer sorgfältigen Bilanzierung ab, die belegt, dass der gesamte Prozess mehr Kohlenstoff entfernt.