Seit Jahrzehnten träumen Ingenieure davon, Organismen so zu programmieren, dass sie nachhaltig Ethylen produzieren, eine Chemikalie, die wegen ihrer Bedeutung für Kunststoffe den Spitznamen „König der Petrochemie“ trägt. Jetzt nähert sich ein hoffnungsvoller Weg zu dieser Petrochemikalie der Realität, über ein photosynthetisches Bakterium, das genetisch darauf spezialisiert ist, Sonnenlicht und Kohlendioxid (CO2) in Ethylen. Aber bevor die Industrie Tanks mit lebender grüner Flüssigkeit beladen kann, überwinden die Forscher zunächst einige Stoffwechselbarrieren rund um die Ethylenproduktion.
Ein institutionenübergreifendes Forschungsteam unter der Leitung des National Renewable Energy Laboratory (NREL) machte wichtige Fortschritte bei der Entschlüsselung des photosynthetischen Enzymwegs. In einem Naturkommunikation Artikel mit dem Titel „Ein Guanidin-abbauendes Enzym kontrolliert die Stabilität Ethylen-produzierender Cyanobakterien“, berichten die Forscher über ihre Entdeckung und den Nachweis, dass ein bestimmtes Gen Bakterien, die Ethylen produzieren, stabilisieren kann. Ihre Entdeckung ist ein willkommener Durchbruch, da frühere Versuche, diesen Ethylenweg zu nutzen, zu einer genetischen Instabilität in den Bakterien geführt hatten.
„Bisher kam eine große Hürde für die photosynthetische Ethylenproduktion vom Organismus selbst – er erzeugt neben dem Ethylen ein toxisches Nebenprodukt“, sagte Jianping Yu, ein NREL-Autor des Papiers. „Mit dieser Arbeit wissen wir jetzt, dass das giftige Nebenprodukt mit einer genetischen Technik behandelt werden kann.“
Guanidin: Ein unerwünschter Gast in der solarbetriebenen Ethylenproduktion
Der von den Forschern beabsichtigte Ansatz ist einfach: Entführen Sie das Gen zur Produktion von Ethylen aus einem verbreiteten Pflanzenpathogen (Pseudomonas Syringae, ein Bakterium, das braune Flecken auf Blättern verursacht) und führen dieses Gen in ein Cyanobakterium ein, das die Photosynthese zur Energiegewinnung nutzt. Wenn alles richtig funktioniert, wandeln die Cyanobakterien dann Sonnenstrahlung und CO um2 in Ethylen; tatsächlich effizienter als jeder andere biologische Weg. Aber stattdessen starben die Cyanobakterien langsam; Die Forscher zeigten, dass der eingeführte Genweg auch Guanidin produziert, ein Toxin, das genetische Instabilitäten in Cyanobakterien hervorruft.
„Unser Ziel ist es, die Quelle der Guanidin-Toxizität auf diesem Weg zu verstehen und wie Zellen dies verhindern können. Zu diesem Zweck haben wir jetzt einen ziemlich überzeugenden Ansatz“, sagte Yu.
Guanidin verursacht eine Störung des Pigmentstoffwechsels in Cyanobakterienzellen – ein offensichtlich schlechtes Nebenprodukt, wenn der Zweck der Zellen darin besteht, ihr Pigment zur Gewinnung von Licht zu verwenden. Glücklicherweise ist ein bestimmtes Cyanobakterium, das von Wissenschaftlern geliebt wird – Synechocystis 6803 — kann Guanidin abbauen. Der Trick besteht also darin, diesen genetischen Mechanismus zu erfassen und ihn wieder in andere Cyanobakterienzellen einzufügen. Mit anderen Worten, vorstellen Ein weiterer Gen, das das erste stabilisiert und zu einer ungehinderten Ethylenproduktion führt.
Genomische Stabilität für dauerhafte Ethylenerträge
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass ein bestimmtes Gen in Synechocystis 6803 war am Guanidinabbau beteiligt, basierend auf der höheren Expression des Gens im Ethylen produzierenden Stamm und seiner Sequenzähnlichkeit zu anderen bekannten Guanidin-verwandten Stoffwechselmaschinen. Diese Vermutung wurde bestätigt, als die Forscher das Gen aus dem Cyanobakterium ausschalteten und den Zellrückgang beobachteten, wenn sie Guanidin ausgesetzt wurden. Um die Rolle des Gens beim Guanidinabbau weiter zu validieren, fügten die Forscher das Gen dann einer anderen Art hinzu.
In dem anderen Cyanobakterium – Synechococcus 7942, eine weitere beliebte Art, die Wissenschaftler konstruiert haben – das Forschungsteam untersuchte, ob das Gen die gleiche Fähigkeit zum Abbau von Guanidin verlieh. Tatsächlich konnte das veränderte Cyanobakterium wie bei der ersten Art das Guanidin verstoffwechseln, wodurch genetische Probleme verhindert und eine anhaltende Ethylenproduktion ermöglicht wurden. Bei beiden Organismen neutralisierte das Gen Guanidin effektiv und wandelte die giftige Chemikalie in harmlosen Harnstoff und Ammoniak um.
Fortschritte des Forschungsteams: Die untere Abbildung zeigt den ethylenproduzierenden Cyanobakterienstamm Synechococcus 7942 mit einem instabilen Genom, das durch unterschiedliche Koloniegrößen angezeigt wird. Die kleineren Kolonien enthalten das richtige Gen für das ethylenbildende Enzym (EFE), und die großen Kolonien enthalten mutierte Versionen des Gens, die aus der Guanidin-Toxizität resultieren, und produzieren kein Ethylen. Das obere Bild zeigt den gleichen Stamm mit einem eingeführten Guanidinase-Gen für den Guanidinabbau (GD). Diese haben eine einheitlichere Koloniegröße, das Genom ist stabil und die Ethylenproduktivität ist ebenfalls stabil. Bild von NREL
Chance für eine saubere chemische Alternative
Biologisch hergestelltes Ethylen ist ein doppelter Gewinn für saubere Energie – es recycelt CO2 und verdrängt fossile Rohstoffe, von denen die Industrie derzeit abhängig ist. Im Vergleich zu anderen biologischen Pfaden, die pflanzliche Biomasse als Ausgangsmaterial verwenden, wird das in dieser Arbeit verfolgte Verfahren direkt von der Sonne angetrieben und ist somit potenziell energetisch günstiger.
Die industrielle Anwendung zur Dekarbonisierung der chemischen Industrie ist verlockend; Hoffnung besteht weiterhin für die Herstellung von PVC-Rohren für sauberes Wasser, und sogar in der Marskolonisation. Diese Arbeit zeigt eine Möglichkeit auf, die Bioethylenproduktion durch Beseitigung bestimmter biologischer Barrieren zu steigern. Zukünftige Forschung könnte noch effizientere Guanidin-abbauende Enzyme hervorbringen, möglicherweise durch Evolution desselben Gens, das in dieser Studie beschrieben wird. Vorerst fördert die Arbeit des Teams das Wissen über den Guanidinstoffwechsel in der Natur und demonstriert einen funktionellen Ansatz zur Steigerung der Ethylenproduktion.
Ihre Arbeit wurde teilweise vom Büro für Bioenergietechnologien des US-Energieministeriums finanziert und knüpft an eine grundlegende Technologie an, die 2015 mit einem R&D 100 Award ausgezeichnet wurde.
Lerne mehr über NRELs mikrobielle Entwicklung und metabolische Engineering-Forschung.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien.
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