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CO2 statt Zucker

Leben nur von Luft

Dass das derzeit so geschundene Treibhausgas CO2 nicht nur ein bedenkliches Abfallprodukt ist, sondern auch »Nahrung« sein kann, demonstrieren uns alle Kohlenstoff-assimilierenden Organismen, vornehmlich die Grünpflanzen. Nun gelang es Wissenschaftlern, Escherichia-coli-Bakterien genetisch so umzugestalten, dass auch sie CO2 statt Glucose als einzige Kohlenstoffquelle nutzen können.
Theo Dingermann
03.12.2019
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Die Arbeit der Gruppe um Shmuel Gleizer vom Weizmann Institute of Science in Israel wurde jetzt im Fachjournal »Cell« publiziert. Auch als Laie kann man sich vorstellen, dass das keine einfache Aufgabe war. Im Wesentlichen mussten drei entscheidende physiologische Funktionswege umgebaut werden: Zum einen musste sichergestellt werden, dass der modifizierte Organismus tatsächlich ausschließlich CO2 als Kohlenstoffquelle verwendet, um alle anderen Biomoleküle herzustellen, die Kohlenstoffatome enthalten. Nur dann kann man von einer echten Autotrophie sprechen.

Als nächstes musste eine Energiequelle bereitgestellt werden, die tatsächlich ausschließlich die benötigte Energie liefert, deren Komponenten sich aber nicht an der Kohlenstoffassimilation beteiligen. In den photosynthetisierenden Pflanzen ist das bekanntermaßen Licht. Da dieses komplexe System in der aktuellen Phase des Projektes nicht eingeführt werden konnte, musste nach einer Alternative gesucht werden, die durch Oxidation eines reduzierten Moleküls ausreichend Energie bereitstellt. Und schließlich galt es, den Energiegewinnungs- und den CO2 -Fixierungsprozess so zu koordinieren, dass tatsächlich Zellwachstum möglich war.

Dazu schleusten die Forscher zunächst ein Gen in das E. coli-Genom ein, dessen Produkt die Umwandlung von CO2 in Biomasse katalysiert. Gleichzeitig entfernten sie Gene, deren Produkte E. coli für den Zuckerstoffwechsel benötigt. Anschließend ließen sie die Bakterien für fast ein Jahr unter genau kontrollierten Bedingungen in einem Chemostat wachsen, um einen natürlichen Entwicklungsprozess anzustoßen, an dessen Ende Bakterien standen, die tatsächlich CO2 als einzige Kohlenstoffquelle verwenden konnten.

Wie sich herausstellte, waren letztlich nur elf Mutationen nötig, um diese enorme Stoffwechseländerung zu realisieren. Allerdings gestehen sich die Wissenschaftler selbstkritisch ein, dass sie ihr eigentliches Ziel noch nicht erreicht haben. Denn gegenwärtig emittieren die Bakterien noch mehr CO2 als sie verbrauchen. Man ist jedoch optimistisch, auch dieses Problem in den Griff zu bekommen.

Sicherlich wird das israelische Projekt nicht unsere Klimaprobleme lösen. Das war auch nicht der Anspruch, den die Wissenschaftler an ihr Vorhaben gestellt hatten. Perspektivisch betrachtet hat die Arbeit aber ein besonderes Prädikat verdient, was auch dadurch dokumentiert ist, dass sie so prominent publiziert wurde. Hier wurde nämlich aufgezeigt, was synthetische Biologie leisten kann. Und schließlich ist es vielleicht gerade auch für Pharmazeuten faszinierend sich vorzustellen, dass es demnächst ein Insulin geben könnte, das von Bakterien ohne Zusatz irgendwelcher Nährstoffe alleine aus Luft und Wasser zusammengebaut wurde.

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