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Marburg Mit Spinat, Licht und Wasser
Marburg Mit Spinat, Licht und Wasser
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14:58 09.01.2021
Ein Baukasten für Organismen: Wissenschaftler des Forschungsnetzwerks „MaxSynBio“ der Max-Planck-Gesellschaft wollen aus einzelnen Bausteinen synthetische Zellen konstruieren, um eine nächste Generation biotechnologischer Verfahren zu ermöglichen. Grafik: Jacob Schweitzer, Max-Planck-Institut für Biochemie
Ein Baukasten für Organismen: Wissenschaftler des Forschungsnetzwerks „MaxSynBio“ der Max-Planck-Gesellschaft wollen aus einzelnen Bausteinen synthetische Zellen konstruieren, um eine nächste Generation biotechnologischer Verfahren zu ermöglichen. Grafik: Jacob Schweitzer, Max-Planck-Institut für Biochemie Quelle: .
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Die Verwirklichung dieses Projektes würde bedeuten, Kohlenstoffverbindungen wie Antibiotika und andere Produkte nachhaltig aus Licht und Kohlendioxid herstellen zu können.

Dieses sei allerdings eine „Multi-Team-Aufgabe“, an der sich bis zu 40 Forschergruppen weltweit beteiligen würden, erläutert Erb im Gespräch mit der OP. Doch wie auch die Mammutaufgabe der US-Weltraumagentur Nasa in den 60er-Jahren auf dem Weg der USA zur bemannten Mondfahrt sei es auf dem Weg zu einer Minimalzelle noch ein langer Weg. Bisher ist noch sei nicht einmal die „Rakete“ fertig, meint Erb.

Doch jetzt hat das von ihm geleitete Team im Labor einen großen Erfolg erzielt: Den prinzipiellen Beweis dafür, dass eine künstliche Photosynthese möglich ist. „Wir haben ein Triebwerk zusammengebaut und getestet“, sagte der Marburger Biochemiker im Vergleich mit dem „Apollo“-Projekt über den bisherigen Erfolg der von ihm geleiteten Arbeitsgruppe.

Es fehlten aber noch viele andere Bestandteile wie das Äquivalent einer zentralen Steuereinheit. Die erste Erkenntnis aus der Marburger Entwicklung macht dem Marburger Forscher aber Mut: „Wir können biologische Systeme bauen, die besser sind als die Natur“, fasst Erb zusammen.

Kraftwerke einer künstlichen Photosynthese

In der Photosynthese wandeln Pflanzen Sonnenlicht, CO2 und Wasser in Kohlenstoffverbindungen um. Gleichzeitig wird Sauerstoff produziert und abgegeben. Das Problem ist allerdings die mangelnde Energieausbeute. Die Photosynthese im Labor ähnlich gut oder sogar besser nachzubauen, um so mit Mitteln der modernen Biotechnologie Sonnenlicht in chemische Verbindungen umzuwandeln: Diesem ehrgeizigen Ziel hat sich der Marburger Mikrobiologe Professor Tobias Erb mit seiner Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie auf den Lahnbergen in den vergangenen sechs Jahren verschrieben. Und auf dem Weg dahin ist er Mitte dieses Jahres einen großen Schritt weitergekommen. In Zusammenarbeit mit Kollegen aus Frankreich gelang es Erb, eine Plattform zu entwickeln, die in einer Art Fabrik im Miniaturformat künstliche Chloroplasten herstellen kann, die als Kraftwerke einer künstlichen Photosynthese funktionieren könnten.

Im Prinzip war dann alles ganz einfach: Um die Kohlendioxid-Umwandlung nachzubauen, wurden mehr oder weniger nur frischer Spinat, Wasser und eine Leuchtdiode als künstliche Sonne benötigt. Für die Umwandlung von Licht in Energie nutzten die Forscher den aus Enzymen bestehenden Lichtsammelkomplex der Spinatpflanzen (Thylakoidmembran), der für die Lichtreaktion zuständig war, in der Energie und Wasserstoff bereitgestellt wurde. Kombiniert wurde dieser mit einem von Erb 2016 entwickelten, bahnbrechenden neuen Stoffwechselweg zur Fixierung von Kohlendioxid, dem aus 16 besonders effizienten Enzymen bestehenden CETH-Zyklus.

Die optimierte Kohlenstoffumwandlung erfolgte dadurch, dass die halbsynthetische Photosynthese-Membran in Mikrotröpfchen eingeschlossen wurde. Diese winzigen Wasserbläschen in einer Öl-Lösung können aufgrund der von französischen Forschern am Centre de Recherche Paul Pascal entwickelten Mikrofluid-Technik massenhaft hergestellt und individuell zugeschnitten werden.

Das Besondere an der äußerst innovativen Marburger Entwicklung: Die künstlichen Chloroplasten können Kohlendioxid um bis zu 20-mal schneller fixieren, als dies Pflanzen in dem herkömmlichen biologischen Weg möglich ist. Es gelang also analog der pflanzlichen Photosynthese, im Reagenzglas Kohlendioxid aus der Luft mithilfe des ersten künstlichen Stoffwechsels in Kohlehydrate umzuwandeln.

40 Bausteine müssen stabiler gemacht werden

In der Fachwelt wurde der Forschungserfolg als Paukenschlag gewertet und auch auf der internen Homepage der Max-Planck-Gesellschaft zum Generalthema Synthetische Biologie als eines der Forschungs-Highlights des Jahres 2020 ausgezeichnet. Noch allerdings ist Tobias Erb zurückhaltend, was die ganz praktischen Nutzungsmöglichkeiten angeht. „Wir müssen noch sehr viel Energie reinstecken, und das System hält auch nur für zwei Stunden“, sagte der Marburger Forscher im Gespräch mit der OP.

Bisher wurde im Labor aus Kohlendioxid bereits Glykolat synthetisiert, das als Ausgangsstoff für Antibiotika dienen kann. Ein weiterer Schritt wäre die Herstellung von Terpenen, die als Duftstoffe oder Vitamine in der Kosmetik und Lebensmittelindustrie verwendet werden.

Aber auch die Bekämpfung des Klimawandels könnte aufgrund der Nutzung von Kohlendioxid aus der Erdatmosphäre als Rohstoff in Zukunft ein wesentlicher Nebeneffekt der innovativen Idee sein, macht Erb klar. Im Anschluss an den jetzt grundsätzlich erfolgten Nachweis des Prinzips bestehe nun ein Großteil der notwendigen Forschungsarbeit in der Optimierung: 40 unterschiedliche Bausteine müssen stabiler gemacht werden.

Prinzipiell seien zwei verschiedene Herangehensweisen möglich, betonte Erb. Einerseits könne man die Bestandteile der künstlichen Chloroplasten in den Bauplan (Genom) der Zellen von Bakterien, Algen oder Pflanzen einbauen, um deren Photosynthese-Leistung deutlich zu verbessern.

Dies sei allerdings eine komplexe Aufgabe, auch wegen der unkalkulierbaren Wechselwirkungen mit den sonstigen Stoffwechselwegen der lebenden Organismen.

Der andere Weg bestehe darin, ein synthetisches Netzwerk zur Umwandlung von Kohlendioxid in künstlichen Zellen zu betreiben. In größerem Maßstab könnte dann eine solche künstliche Fotosynthese-Fabrik beispielsweise in 200-Liter-Tanks (Fermentatoren) eingerichtet werden, in denen derzeit Antibiotika hergestellt werden.

Doch bevor es soweit ist müsste erst einmal eine komplett künstliche Zelle – eine sogenannte Minimalzelle – aus unbelebten Grundbauteilen konstruiert und zum Laufen gebracht werden. Das ist das übergreifende Großprojekt im Forschungsnetzwerk der Max-Planck-Gesellschaft zum Thema synthetische Mikrobiologie (MaxSynBio), das von 2014 bis Ende dieses Jahres gefördert wurde. Dort arbeiten Experten aus neun Max-Planck-Instituten gemeinsam.

Entwicklung einer Minimalzelle steht an

Unter anderem steht die Entwicklung einer Minimalzelle auf der Agenda: Das Ziel, im Labor eine Zelle nachzubauen, die alle notwendigen Arbeitsschritte durchführen kann, ist aber noch lange nicht erreicht. Vor allem die Zellteilung und die Informationsspeicherung müssten dafür funktionieren, erläutert Erb.

Dennoch zieht er eine positive Bilanz von „MaxSynBio“ und hofft, dass die angestrebte Verlängerung im kommenden Jahr klappt. „Diese Kooperation hat uns wissenschaftlich stark vorangebracht“, bilanziert Erb. Es sei zudem innerhalb kürzester Zeit gelungen, eine neue wissenschaftliche Fachdisziplin aufzubauen und zu etablieren.

Jetzt hofft der Marburger Forscher, dass in einer möglichen zweiten Phase auch eine stärkere internationale Vernetzung gelingt.

Minimalzelle

Biotechnologie ist bisher auf Lebewesen angewiesen, die selbst im Falle von Mikroorganismen sehr komplex und nur schwer steuerbar sind. Die Erträge sind oft gering, denn die biotechnologisch genutzten Organismen benötigen einen erheblichen Teil der zellulären Energie für ihre komplexen Lebensfunktionen. Darüber hinaus müssen die gewünschten Endprodukte oft aufwendig aus einer Mischung der gleichzeitig anfallenden Stoffwechselprodukte herausgefiltert und gereinigt werden.
Eine auf ein Minimum lebensnotwendiger Bestandteile reduzierte, gezielt zur Produktion eines gewünschten Produktes optimierte Zelle könnte dieses Dilemma vieler biotechnologischer Produktionsprozesse eines Tages lösen. Doch worin besteht die molekulare Minimalausstattung einer lebensfähigen Zelle? Könnte eine einfache, von außen steuerbare „minimale Zelle“ konzipiert werden, die einen Stoffwechsel besitzt und sich vermehren kann? Ziel des Forschungsnetzwerkes MaxSynBio, an dem auch Professor Tobias Erb (Marburg) beteiligt ist, ist ein von Grund auf neues Verständnis der Biologie durch die Synthese funktionaler biologischer Systeme aus präzise charakterisierten Modulen oder Bausteinen. Mit Hilfe eines „Baukastens für Organismen“ wollen die Max-Planck-Wissenschaftler aus einzelnen Bausteinen synthetische Zellen konstruieren, um eine nächste Generation biotechnologischer Verfahren zu ermöglichen.
Schrittweise sollen zunächst minimale Einheiten wie Proteindomänen, Proteine oder andere biomimetische Makromoleküle und dann Proteinnetzwerke und genetische Regelkreise bis hin zu synthetischen zellulären Systemen aufgebaut werden.
Im Gegensatz zu diesem „Bottom-Up-Prinzip“ versuchen andere Forscher wie der US-Genforscher Craig Venter im „Top-down-Ansatz“, ausgehend von einfachen Organismen, die Komplexität der Zelle immer weiter zu reduzieren. Die von Venter 2016 auf diesem Weg erreichte Minimalzelle hat nur noch eine Ausstattung von 473 Genen, wovon bei 149 Genen die Funktion jedoch unbekannt ist.

Von Manfred Hitzeroth

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