Charakterisierung der Eisen-Nitrogenase und Engineeren des Nitrogenase Potentials für die Fixierung von Kohlenstoffdioxid und der Produktion von Kohlenwasserstoffen

• Antragsteller: Johannes Rebelein, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446841743

In diesem Projekt, wird die „reine“ Eisen-Nitrogenase umfassend charakterisiert um ein erstes Verständnis für das Innenleben dieses Enzymsystems zu entwickeln. Einblicke in die Katalyse der Eisen-Nitrogenase sind essentiell für unser Verständnis der Metalloenzymchemie und werden die Entwicklung von neuen bioinspirierten Katalysatoren unterstützen.In Arbeitspaket 1 sollen fundamentale Einblicke in die Biochemie der Metalloenzyme erlangt werden. Hierzu wird die „vernachlässigte“ aber „einfachste“ Nitrogenase, die Eisen-Nitrogenase von Rhodobacter capsulatus spektroskopisch und strukturbiologisch charakterisiert. Diese Untersuchungen werden zu einem besseren Verständnis der Aktivierung von N2 und CO2 durch [FeS]-Cluster führen. Die Erkenntnisse könnten als Blaupause für das Design von Katalysatoren für die Fixierung von N2 und CO2 sowie für die Produktion von Dünger und Kohlenwasserstoffen dienen. Für Arbeitspaket 2 werden erstmals Nitrogenasen gerichtet evolviert, um das Nitrogenasepotential für die Fixierung von CO2 und die Produktion von Kohlenwasserstoffketten zu erhöhen. Durch die katalytische und strukturelle Charakterisierung der besten Mutanten wird ein besserer Einblick in die Faktoren, welche die CO2-Aktivierung beeinflussen, erlangt. Dieses Projekt wird das Fundament für einen Nitrogenase-katalysierten Prozess zur CO2-Fixierung und Kohlenwasserstoffproduktion, mit industriell relevanten Raum-Zeit ausbeuten, legen. In Arbeitspaket 3 werden FeFeco-basierte künstliche Metalloenzyme, künstliche Fischer-Tropschasen konstruiert. Hierzu wird der Cofaktor der Eisen-Nitrogenase (FeFeco) extrahiert und in das „Gerüstprotein“ Streptavidin eingebracht. Diese Fischer-Tropschasen reduzieren CO und CO2 zu langen Kohlenwasserstoffketten und imitieren den industriellen Fischer-Tropsch-Prozess. Anschließend werden die künstlichen Fischer-Tropschasen engineered und optimiert. Um diese Reaktion mit Licht antreiben zu können, werden Photosensibilisatoren ins „Gerüstprotein“ integriert. Dieses Projekt untersucht die Machbarkeit eines biosynthetischen künstlichen Systems für die Bildung von Kohlenwasserstoffen, das auf dem Eisen-Nitrogenase Cofaktor basiert. In Arbeitspaket 4 wird der unerforschte Elektronentransportweg zur Eisen-Nitrogenase in R. capsulatus untersucht. Diese Arbeit wird wesentliche Einblicke in den Stoffwechsel und den Elektronentransport von R. capsulatus ermöglichen. Um den Organismus als biotechnologische Plattform für die lichtangetriebene Produktion von Chemikalien zu etablieren, wird der photosynthetische Organismus R. capsulatus basierend auf den zuvor gewonnenen Erkenntnissen optimiert.Mein Langzeitziel ist es die Eisen-Nitrogenase für die Fixierung von CO2 und die Produktion von Kohlenwasserstoffen zu engineeren. Auf R. capsulatus aufbauend sollen lichtangetriebene kraftstoffproduzierende synthetische Organismen kreiert werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: GC-BID
• Gerätegruppe: 1340 Gaschromatographen (außer GC-MS-Kopplung)