Konstruktion eines synthetischen Stoffwechselwegs für die kohlenstoffkonservierende Wertstoffsynthese aus Ethylenglykol und Glykolaldehyd

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Walther
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413016763

Die Entwicklung einer biobasierten Ökonomie verlangt die Erschließung neuer Kohlenstoffquellen, um den ansteigenden Rohstoffbedarf mikrobieller Produktsynthesen decken zu können. Die nachhaltigste Strategie zur Produktion von chemischen Wertstoffen ist dabei zweifelsohne die Nutzung von Kohlendioxid (CO2) als erneuerbarer Kohlenstoffquelle. Dazu wird CO2 auf chemischem Weg zunächst zu Methanol oder Synthesegas umgewandelt. Beide Stoffe sind sehr attraktive Kohlenstoffquellen, aus der die gesamte Bandbreite an industriell relevanten Grundchemikalien auf biotechnologischem Weg hergestellt werden kann. Die Leistungsfähigkeit dieser Prozesse wird jedoch durch den extrem hohen Sauerstoffbedarf bei der mikrobiellen Nutzung von Methanol und durch die vergleichsweise langsam ablaufenden Transportprozesse beim Übergang der gasförmigen Nährstoffquellen Synthesegas und Sauerstoff in das flüssige Kulturmedium limitiert.Als Lösung für diese technologischen Probleme wird durch das Institut für Naturstofftechnik der TU Dresden die kostengünstige chemische Umwandlung von Synthesegas und Methanol in die flüssigen, nicht-flüchtigen C2-Moleküle Ethylenglykol (EG) und Glykolaldehyd (GA) vorgeschlagen. Durch die Nutzung dieser flüssigen Stoffe als Kohlenstoffquelle für mikrobielle Produktsynthesen wird das Problem des Phasenübergangs gelöst. Darüber hinaus weist die Umwandlung dieser Moleküle in chemische Wertstoffe (über den hier vorgeschlagenen synthetischen Stoffwechselweg) einen weitaus geringeren Sauerstoffbedarf auf, als dies bei der direkten Nutzung von Methanol der Fall ist. Verschiedene Bakterienarten sind in der Lage, EG und GA als alleinige Kohlenstoffquelle zu nutzen. Die natürlichen EG-Assimilierungswege weisen jedoch eine Reihe von CO2-abspaltenden Reaktionen auf und sind insbesondere für Acetyl-CoA-abhängige Produktsynthesen ungeeignet (maximaler Kohlenstoffertrag von Acetyl-CoA auf EG ist 50 %). Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojekts wird ein synthetischer Stoffwechselweg entwickelt, der die kohlenstoffkonservierende Biosynthese von Acetyl-CoA aus EG ermöglicht. Der Stoffwechselweg basiert auf der Oxydation von EG zu GA und der nachfolgenden Aldoladdition von GA an Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Das Reaktionsprodukt Arabinose-5-phosphat wird über verschiedene Zwischenschritte zu Acetyl-CoA umgewandelt, wobei der GA-Akzeptor GAP regeneriert wird. Die Funktionalität des synthetischen Stoffwechselwegs soll zunächst mit isolierten Enzymen in einem zellfreien Reaktionssystem gezeigt werden. Danach wird der Stoffwechselweg in einem gentechnisch optimierten Escherichia coli Stamm implementiert und seine Funktion anhand der Biosynthese von aus Acetyl-CoA abgeleitetem Mevalonat gezeigt. Die Optimierung der EG-Assimilation und der Mevalonatsynthese erfolgt auf Basis systembiologischer Untersuchungen. Die Studie leistet einen wichtigen Beitrag zur Erschließung nachhaltiger Rohstoffquellen für effiziente mikrobielle Produktsynthesen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen