Die Wiege im Labor Einstieg für Aussteiger

AG ErbJeder Buchstabe zählt: Eine neu entdeckte reduktive Carboxylase (rechts) bindet Kohlendioxid (O=C=O) in einer zusätzlichen Tasche.schließlich handelt es sich umeine Antibiotika-Vorstufe.Erb und sein Team sindnun dabei, um ihre hocheffizienteSekundärstoffwechsel-Carboxylase herum einen synthetischenStoffwechselweg fürdie Speicherung von Energie inBiomasse zu bauen – also einenoptimalen Primärstoffwechselweg.Diesen Weg haben die Forschersozusagen am Reißbrettentworfen: Ausgehend von derAntibiotika-Vorstufe, in der diereduktive Carboxylase das Kohlendioxidfixiert, wurde überlegt,über welche chemischenZwischenstufen ein Produktentstehen könnte, aus demschließlich neue Biomasse generiertwerden könnte. Das Ergebnisdieser Überlegungen war einKreislauf, in dem das Substratimmer wieder recycelt wird undals Produkt Pyruvat entsteht,ein wichtiges Zwischenproduktim Primärstoffwechsel allerOrganismen und damit eine Artchemische Universalwährung.„Dann haben wir uns in biologischenDatenbanken aus mehrals 40.000 beschriebenen Enzymensolche Enzyme gesucht, diediese Zwischenstufen generierenkönnten“, erzählt Erb. Insgesamtzwei Dutzend dieser Enzymewurden in seinem MarburgerLabor in vitro – also im Reagenzglas– daraufhin getestet,ob und wie gut sie die ihnenzugedachte Reaktion tatsächlichkatalysieren, zunächst einzeln,später in immer größeren Gruppen.„So konnten wir sehen,welche Enzyme gut miteinanderfunktionieren und bei welchenSchritten oder Kombinationenes Probleme gab, und wir alter -native Enzyme suchen mussten“,erklärt Erb. Inzwischen konnteder künstliche Stoffwechselwegkomplett in vitro zusammengesetztund verschiedene Zwischenstufenüber Massenspektrometrienachgewiesen werden. Dieverwendeten Enzyme stammenteilweise aus Purpurbakterien,andere aus Darmbakterien, ausThaumarchaeoten, eines sogaraus der menschlichen Leber.„Sie sind also alle natürlichen Ursprungs“,betont Erb. „IhreKombination zu einem hocheffizientenCO 2 -fixierenden Stoff -wechselweg ist aber neu; vermutlichsind die jeweiligen Enzymeim Laufe der Evolution einfachnie in einem biologischen Kontextzusammen gekommen.“Parallel zu diesen Versuchenhaben die Forscher schon begonnen,geeignete Wirtsorganismenfür ihren synthetischenStoffwechsel vorzubereiten.Ihr Augenmerk liegt dabei aufMikroorganismen, die ihre Energiemit Hilfe von Sonnenlichtoder Wasserstoff gewinnen,also aus erneuerbaren Energien.Demnächst können die Wissenschaftlerdamit beginnen, dieGene für ihre Stoffwechselenzymein das Erbgut dieser Wirteeinzubauen. „Auch dabei werdenwir von unseren in vitro-Analysen profitieren“, so Erb.Kann man einen Schlüsselprozessdes Lebendigen neu konstruieren?„Dort haben wir nämlich gesehen,welche Enzyme schnellerarbeiten und welche langsamer.Damit es dadurch in vivo nichtzu einem Stau kommt, sondernder Stoffwechsel auch wirklichoptimal läuft, müssen wir dieseUnterschiede über die Mengeder produzierten Enzyme wiederausgleichen, also über unterschiedlichstarke Expression derjeweiligen Gene.“Verläuft weiterhin alles nachPlan, werden am Ende dieserArbeiten Mikroorganismen stehen,die mit Hilfe erneuerbarerEnergie Kohlendioxid aus derLuft binden und in Biomasseumwandeln können. „Solltedieser Prozess tatsächlich wiegeplant zehnmal effizienter seinals die bisher bekannten natürlichenStoffwechselwege, wäresogar denkbar, nur jedes zehnteKohlenstoffatom in den Stoffwechseldes Wirts und damitin dessen Wachstum fließen zulassen, und die restlichen neunzum Beispiel in die Produktionvon Biodiesel oder Grundlagenchemikalienfür die chemischeIndustrie“, meint Erb.„Aber selbst wenn die Um -wandlung von klimaschädli chemKohlendioxid – etwa aus Abgasenvon Kraftwerken – in Biomasseoder einen nachhaltigen Rohstoffdurch unseren künstlichenStoffwechsel ein attraktivesFernziel ist, so liegt unsereeigentliche Motivation doch woanders“,führt der Biologe aus:„Uns geht es eher um die grundsätzlicheFrage, ob wir durchrigoroses Anwenden unseresnaturwissenschaftlichen Verständnisseseinen biologischenSchlüsselprozess tatsächlichvöllig neu konstruieren können.Denn nur wenn wir die Umwandlungvon unbelebter in belebteMaterie im Labor nachstellenkönnen, haben wir einen dergrundlegendsten Prozesse desLebens wirklich verstanden.“>> Vera Bettenworth12