Umwandlung von CO2 in wertvolle Produkte: Umleitung des Kohlenstoffflusses in Cyanobakterien durch ‚Regulatory Engineering‘

• Antragsteller: Professor Dr. Karl Forchhammer; Privatdozent Dr. Stephan Klähn
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513290319

Heute ist der Zusammenhang zwischen globaler Erwärmung und Verbrennung fossiler Energieträger, einhergehend mit der Emission von CO2, allgemein anerkannt. Der Klimawandel und seine Folgen führten zu einem Umdenken und dem politischen Willen zum Aufbau einer CO2-neutralen Bioökonomie in den nächsten Jahrzehnten. Unter anderem erfordert dies nachhaltige, biotechnologische Prozesse auf der Basis von organischem Kohlenstoff (C), generiert durch lichtgetriebene CO2-Fixierung (Photosynthese). Cyanobakterien, die einzigen Prokaryoten mit oxygener Photosynthese, sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse und könnten künftig als Biokatalysatoren für photo-biotechnologische Anwendungen genutzt werden. Um Stoffwechselressourcen zu bündeln und maximale Ausbeuten eines gewünschten chemischen Produkts zu erzeugen, ist es wichtig, native molekulare Prozesse zur Steuerung des Primärstoffwechsel zu berücksichtigen. Obwohl wir erst am Anfang eines vollständigen Verständnisses der Regulation des cyanobakteriellen Stoffwechsels stehen, haben neuere Forschungen das Fenster für eine umfassendere Sicht auf grundlegende Kontrollprinzipien geöffnet. Zum Beispiel haben wir kürzlich mit der Phosphoglyceratmutase (PGAM)-Reaktion einen wichtigen Kontrollschritt des zentralen C-Stoffwechsels entdeckt. In dieser wird das erste CO2-Fixierungsprodukt 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat umgewandelt. Die Reaktion ist eine Art Ventil zum Ableiten von C aus dem Calvin-Benson-Zyklus hin zum Glycerinaldehyd-3-phosphat und Pyruvat. Entsprechend ihrer Bedeutung wird die PGAM-Aktivität durch einen umfangreichen molekularen Mechanismus reguliert, der die Wechselwirkung mit einem kleinen Effektorprotein (PirC) und dessen Steuerung durch ein zentrales Signaltransduktionsprotein (PII) einschließt. In Anlehnung an klassisches ‚Metabolic Engineering‘ wird der PirC-PGAM-Schalter als Knotenpunkt für ein umfassendes ‚Regulatory Engineering‘ ins Visier genommen. Dazu werden Chassisstämme des Modellstamms Synechocystis sp. PCC 6803 generiert, in denen das PGAM-Ventil in die eine oder andere Richtung gedreht wird. Dies geschieht unter Verwendung von drei komplementären Ansätzen: eine Veränderung der PGAM-Genexpression, das Einstellen der PGAM-Aktivität durch Veränderung der PirC-Abundanz und ein Ausschalten der Kontrolle von PII über PirC. Zusätzlich werden wir diesen Ansatz mit klassischen Design-Strategien kombinieren, z. B. das Einbringen von Genen für (heterologe) Stoffwechselwege. Die Bedeutung unseres Ansatzes wird durch zwei repräsentative Chemikalien demonstriert, deren Synthese aus dem Calvin-Benson-Zyklus oder dem TCA-Zyklus gespeist wird. Unsere Studie wird einen Konzeptnachweis zur gezielten, molekularen Steuerung des C-Flusses in Richtung des erwarteten Produkts liefern. Die erwarteten Erkenntnisse werden dazu beitragen, das biokatalytische Potenzial von Cyanobakterien voll auszuschöpfen und wären somit wegweisend für zukünftige photo-biotechnologischer Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen