Building a light driven synthetic carbon dioxide fixation cycle within microdroplets

Zellen sind hochintegrierte biologische Systeme, die komplexe Aufgaben ausführen. Diese sich selbsterhaltenden Kompartimente befinden sich fernab des thermodynamischen Gleichgewichts mit der Umwelt und erfordern einen konstanten Zufluss von Energie, um den inneren Stoffwechsel anzutreiben und die Rückkehr zurück ins Gleichgewicht zu verhindern. Photosynthetische, autotrophe Organismen wandeln Licht in chemische Energie um, die die treibende Kraft für die Umwandlung von anorganischem Kohlenstoff in organische Verbindungen ist. Letztendlich erfolgt die photosynthetische Umwandlung von Lichtenergie über membrangebundene Proteinkomplexe, die die energiereichen chemischen Cofaktoren Adenosintriphosphat (ATP) und reduziertes Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADPH) erzeugen. ATP und NADPH werden dann verwendet, um Stoffwechselprozesse anzutreiben, insbesondere die Fixierung von Kohlendioxid (CO2) durch den Calvin-Benson-Bassham- (CBB-)Zyklus. Bisher sind Versuche, künstliche Systeme, Zellen oder Organellen zu erschaffen, die autotrophe Photosynthese imitieren können, daran gescheitert, die Lichtsammlung und Kohlenstofffixierung im Micron-Maßstab miteinander zu verbinden. Hier wurden nun Microfluidics und synthetische Biologie kombiniert, um größtenteils „bottom-up“ eine funktionelle Chloroplasten-Nachbildung zu entwickeln und zu optimieren. In dieser Arbeit wurde ein photosynthetisches Energiemodul basierend auf Thylakoidmembranen von Spinatchloroplasten entwickelt, dessen Funktion optimiert und dann verwendet wurde, um verschiedene enzymatische Reaktionen und komplexe metabolische Netzwerke durch Licht anzutreiben. Die Einkapselung des photosynthetischen Energiemoduls durch Microfluidics erzeugte Tröpfchen in der Größe von Zellen, die mit Enzymen ausgestattet, mit Licht angeregt und im Multiplex und in Echtzeit auf ihre katalytische Funktion analysiert werden können. Die Aktivität der „Micro-Droplets“ kann programmiert und gesteuert werden, indem die interne Zusammensetzung (z.B. Thylakoidmembranen und Enzymkonzentrationen) verändert und Licht als externer Auslöser verwendet wird. Durch die Kopplung dieses photosynthetischen Energiemoduls mit einem neuartigen CO2-Fixierungszyklus, bestehend aus 17 Enzymen, wurde eine strukturelle und funktionelle Nachahmung eines Chloroplasten erzeugt, der CO2 kontinuierlich in Glykolat umwandelt. Im Wesentlichen wurden natürliche und synthetische (Bau-)Teile kombiniert, um anabole Reaktionen durch Licht im Micron-Maßstab zu steuern. Diese Plattform stellt die Basis für viele potenzielle Anwendungen dar, die in der synthetischen Biologie für sowohl „top-down“ als auch „bottom-up“ Strategien von Nutzen sind, und ist gleichzeitig ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Nachbildung funktionaler, lebender Zellen.