In einer neuen Biologie

Die Zellen aller lebenden Organismen werden von demselben chemischen Brennstoff angetrieben: Adenosintriphosphat (ATP). Jetzt haben Forscher einen Weg gefunden, ATP direkt aus Elektrizität zu erzeugen, was biotechnologische Prozesse beschleunigen könnte, die alles anbauen, von Nahrungsmitteln über Treibstoff bis hin zu Arzneimitteln.

Die Verbindung moderner elektronikbasierter Technologie mit der Biologie ist bekanntermaßen schwierig. Ein großer Stolperstein ist, dass die Art und Weise, wie sie angetrieben werden, sehr unterschiedlich ist. Während die meisten unserer Geräte mit Elektronen betrieben werden, ist die Natur auf die Energie angewiesen, die freigesetzt wird, wenn die chemischen Bindungen von ATP aufgebrochen werden. Die Suche nach Möglichkeiten zur Umrechnung zwischen diesen beiden sehr unterschiedlichen Energiewährungen könnte für eine Vielzahl von Biotechnologien nützlich sein.

Gentechnisch veränderte Mikroben werden bereits zur Herstellung verschiedener hochwertiger Chemikalien und therapeutisch nützlicher Proteine ​​eingesetzt, und es besteht die Hoffnung, dass sie bald dazu beitragen könnten, umweltfreundlicheren Flugzeugtreibstoff zu erzeugen, Plastikmüll abzubauen und sogar neue Lebensmittel in riesigen Bioreaktoren anzubauen. Derzeit werden diese Prozesse jedoch durch einen ineffizienten Prozess angetrieben, bei dem Biomasse wächst, in Zucker umgewandelt und an die Mikroben verfüttert wird.

Jetzt haben Forscher am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Deutschland einen viel direkteren Weg gefunden, biologische Prozesse anzutreiben. Sie haben einen künstlichen Stoffwechselweg geschaffen, der mithilfe eines Enzymcocktails Strom direkt in ATP umwandeln kann. Und entscheidend ist, dass der Prozess in vitro funktioniert und nicht auf die native Maschinerie der Zellen angewiesen ist.

„Die direkte Einspeisung von Elektrizität in chemische und biochemische Reaktionen ist ein echter Durchbruch“, sagte Tobias Erb, der die Forschung leitete, in einer Pressemitteilung. „So können aus einfachen Zellbausteinen – in Zukunft sogar aus Kohlendioxid – energiereiche Wertstoffe wie Stärke, Biokraftstoffe oder Proteine ​​synthetisiert werden.“ Es könnte sogar möglich sein, biologische Moleküle zur Speicherung elektrischer Energie zu nutzen.“

In der Natur kann man sich ATP und sein Schwestermolekül Adenosindiphosphat (ADP) fast wie Batterien vorstellen. ATP ist wie eine geladene Batterie, die Energie in ihren chemischen Bindungen speichert. Wenn eine Zelle diese Energie verbrauchen muss, bricht sie eine der drei Phosphatgruppen des Moleküls ab und die in dieser chemischen Bindung gebundene Energie kann dann einen zellulären Prozess antreiben.

Dieser Prozess wandelt das ATP-Molekül in ADP um, was man sich wie eine leere Batterie vorstellen kann. Um es wieder aufzuladen, muss die Zelle Energie aus der Nahrung oder Photosynthese nutzen, um eine Phosphatgruppe wieder an das ADP-Molekül anzuhängen und es so wieder in ATP umzuwandeln.

Doch dieser Wiederaufladungsprozess beruht auf einer komplexen Abfolge von Reaktionen, an denen verschiedene Proteinkomplexe beteiligt sind, die in der Zellmembran eingebettet sind. Dieses System so umzugestalten, dass es außerhalb einer Zelle funktioniert, ist eine Herausforderung, da die verschiedenen Proteine ​​sorgfältig in einer künstlichen Membran ausgerichtet werden müssen, was sie sowohl heikel als auch zerbrechlich macht.

Der neue Ansatz, der in einem Artikel in Joule beschrieben wird, ist viel einfacher. Bei diesem sogenannten „AAA-Zyklus“ interagieren nur vier Enzyme in einer Lösung. Der Schlüsselfaktor, der alles möglich machte, war die Entdeckung eines Enzyms namens Aldehydferredoxinoxidoreduktase (AOR) in einem kürzlich entdeckten Bakterium namens Aromaticum aromatoleum, das Erdöl abbauen kann.

Dieses Enzym ist in der Lage, die Elektronen einer Elektrode zu entziehen und ihre Energie in einer Aldehydbindung zu binden, die einer Vorläuferchemikalie namens Propionat hinzugefügt wird. Dies wird dann kaskadiert durch drei weitere Enzyme, die auf die Chemikalie einwirken und schließlich die darin gespeicherte Energie nutzen, um ADP in ATP umzuwandeln. Am Ende entsteht ein Propionatmolekül, das dann wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden kann.

„Der einfache AAA-Zyklus ist ein cleverer und eleganter Ansatz … der viel einfacher ist als die Art und Weise, wie die Biologie auf natürliche Weise ATP herstellt“, sagte Drew Endy, ein synthetischer Biologe an der Stanford University, gegenüber Science. Er fügte hinzu, dass dies ein entscheidender Faktor sein könnte, um die „Elektrobiosynthese“ zu ermöglichen, die Idee, Elektrizität zu nutzen, um die Synthese nützlicher Chemikalien durch Zellen direkt anzutreiben.

Die Forscher sagen, dass der Prozess noch bearbeitet werden muss, da die Enzyme instabil sind und nur wenig Energie umwandeln können. Aber wenn die Idee verfeinert und skaliert werden kann, könnte sie es ermöglichen, alle möglichen leistungsstarken biotechnologischen Prozesse mit erneuerbarer Energie zu betreiben, was sie nicht nur umweltfreundlicher macht, sondern auch die Menge an Energie, die sie nutzen können, deutlich erhöht.

Bildquelle: MPI für terrestrische Mikrobiologie/Virginia Geisel