24. Nov 2013

Synthetischer Stoffwechsel spart Kohlenstoff

Zucker liefert neben Energie auch wichtige Stoffwechsel-Bausteine, die für die Herstellung von Biomolekülen benötigt werden. Beim Abbau des Zucker über die Glykolyse entstehen jedoch große Verluste, nur zwei von drei möglichen Kohlenstoff-Atomen können genutzt werden. Synthetische Biologen haben jetzt einen alternativen Stoffwechselweg geschaffen, der diesen Verlust umgeht – die nicht-oxidative Glykolyse. Da erste Tests in Bakterien erfolgreich verliefen, könnte dieser alternative Weg dazu beitragen, Biokraftstoffe aus Holz zu gewinnen.

Die Glykolyse gehört zu den wenigen Stoffwechselwegen, die von fast allen Lebewesen genutzt werden. Dabei werden Glucose und andere Zuckermoleküle schrittweise abgebaut, es wird Energie frei und als Endprodukt entsteht ein kleineres Molekül, das Pyruvat. Pyruvat wiederum ermöglicht die Biosynthese von Fetten, doch dazu muss es in den Stoffwechsel-Baustein Acetyl-Coenzym A (CoA) umgewandelt werden.

Bei diesem Schritt geht wichtiges Baumaterial verloren: Pyruvat besteht aus drei Kohlenstoff-Atomen, der nutzbare Anteil von Acetyl-CoA jedoch nur noch aus zwei Atomen. Das fehlende Kohlenstoff-Atom wird in Kohlendioxid verwandelt und abgeatmet – ein Drittel des Ausgangsmaterial löst sich buchstäblich in Luft auf.

Für die Herstellung von Biokraftstoffen ist dieser Verlust natürlich ärgerlich, und so suchte eine Forschergruppe um den synthetischen Biologen James Liao an der Universität von Kalifornien nach Alternativen. Zuerst testeten sie diverse Enzyme im Reagenzglas, und als sie eine funktionsfähige Kombination fanden, übertrugen sie diese in ein E. coli Bakterium, dem Arbeitspferd der Mikrobiologen.

Die notwendigen Anpassungen im Bakterien-Genom waren vergleichsweise klein: Nur zwei Enzyme mussten neu eingeschleust werden, und zusätzlich wurden diverse andere Stoffwechsel-Enzyme ausgeschaltet, sofern diese konkurrierende Reaktionen begünstigten. Als Rohprodukt diente diesmal nicht Glucose, sondern Xylose: Dieser Zucker kommt in fast allen Pflanzen vor und stellt in manchen Bäumen fast 30 % des Holzanteils. Xylose ist damit der zweithäufigste Zucker auf dieser Erde – und ein optimaler Ausgangsstoff für die Gewinnung von Biokraftstoffen.

Die Bakterien lieferten eine beeindruckende Leistung ab: Pro Molekül Xylose (das aus fünf Kohlenstoff-Atomen besteht) produzierten sie 2,2 Acetyl-Einheiten – das ist nah an der theoretischen maximalen Ausbeute von 2,5. Und deutlich höher als die maximale Ausbeute der Glykolyse, die etwa 1,7 Moleküle Acetyl-CoA erzeugt. Im Vergleich zum klassischen Weg konnte die Effizienz also deutlich gesteigert werden.

Natürlich gab es auch Nachteile: Die klassische Glykolyse erzeugt zusätzlich das Reduktionsmittel NADH, indem sie den eingesetzten Zucker kräftig oxidiert. Der Stoffwechselweg der synthetischen Biologen produziert kein NADH – daher der Name „nicht-oxidative Glykolyse“. NADH ist jedoch sehr wichtig für den Stoffwechsel und das Zellwachstum, es musste also den veränderten Bakterien extra zugefüttert werden. Dieser Nachteil ist vielleicht der Grund, warum in der Natur nicht ebenfalls eine nicht-oxidative Variante der Glykolyse entstanden ist.

Doch wie nutzt man diesen Prozess für die Herstellung von Biokraftstoffen? Hier kann James Liao auf Arbeiten vom letzten Jahr zurückgreifen: Seine Forschergruppe hatte mit Cyanobakterien experimentiert und ihnen beigebracht, nur mit Hilfe von Sonnenlicht den Alkohol 1-Butanol herzustellen – eine mögliche Alternative zu Benzin. Ein Kombination von diesen Cyanobakterien und nicht-oxidativer Glykolyse könnte die Effizienz der Alkoholproduktion weiter erhöhen – und in absehbarer Zukunft die Gewinnung von Biokraftstoffen aus Holz ermöglichen.

Quellen:
Bogorad et al., Nature Oktober 2013: Synthetic non-oxidative glycolysis enables complete carbon conservation

Lan et al., PNAS April 2012: ATP drives direct photosynthetic production of 1-butanol in cyanobacteria

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