Biologie Cyanobakterien als grüne Katalysatoren in der Biotechnologie
Ein Forschungteam schaltete genetisch einen unnötigen Energieverbraucher aus. So genügt weniger Licht für die Katalyse.
Forschende der Technischen Universität (TU) Graz und der RUB zeigen im Fachjournal ACS Catalysis vom 4. September 2020, wie sich die katalytische Aktivität von Cyanobakterien erheblich steigern lässt. Damit rückt die biotechnologische und somit umweltfreundliche Anwendung einen großen Schritt näher. Cyanobakterien, die – obwohl sie Wasser durch ihre speziellen Pigmente grün färben – umgangssprachlich auch als Blaualgen bekannt sind, wandeln dank ihrer hochaktiven fotosynthetischen Zellen Lichtenergie besonders effektiv in chemische Energie um. Das macht sie attraktiv für den biotechnologischen Einsatz, wo sie mit gezielt eingeschleusten Enzymen als umweltfreundliche und gut verfügbare Biokatalysatoren zur Herstellung neuer Chemikalien genutzt werden könnten.
Limitierende Lichtverfügbarkeit
Was in der Theorie gut klingt, steht in der praktischen großtechnologischen Umsetzung noch vor Hürden: Ein entscheidender limitierender Faktor ist derzeit die Lichtverfügbarkeit, wie Prof. Dr. Robert Kourist vom Institut für Molekulare Biotechnologie der TU Graz erläutert: „Wenn Cyanobakterien dicht gewachsen, also hochkonzentriert sind, dann bekommen nur die außen angesiedelten Zellen genug Licht. Innen ist es ziemlich dunkel. Das heißt, man kann die Katalysatormenge nicht beliebig steigern. Ab einer Zelldichte von wenigen Gramm pro Liter nimmt die fotosynthetische Aktivität und damit die Produktivität der Zellen stark ab. Das ist natürlich für die biotechnologische Großproduktion ein erheblicher Nachteil.
Verfügbares Licht besser nutzen
Gemeinsam mit der RUB und der finnischen Universität Turku ist es der Algen-Arbeitsgruppe an der TU Graz nun gelungen, genau diese katalytische Performance zu steigern, indem der fotosynthetische Elektronenfluss gezielt in die gewünschte katalytische Funktion umgeleitet wurde. „Wir konnten erstmals die Bereitstellung fotosynthetischer Energie direkt in den Zellen zeitaufgelöst messen, sodass wir darüber Engpässe im Metabolismus identifizieren konnten“, erklärt Prof. Dr. Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen an der RUB.
„Daher haben wir im Genom des Cyanobakteriums ein System ausgeschaltet, das die Zelle vor fluktuierendem Licht schützen soll. Dieses System ist unter kontrollierten Kultivierungsbedingungen nicht notwendig, verbraucht aber fotosynthetische Energie. Energie, die wir lieber in die Zielreaktion einbringen“, erläutert Hanna Büchsenschütz, Doktorandin an der TU Graz und Erstautorin der Studie. Damit kann die aufgrund der hohe Zelldichten niedrige Produktivität von Cyanobakterien verbessert werden.
