Enzymatic systems for synthetic formate assimilation

Eine wahrlich zirkuläre Wirtschaft bedingt die Aufwertung von Abfallstoffen. Seit Beginn der Industrialisierung ist CO2 eines der größten Abfallprodukte der Menschheit. Während man dieses Gas als reine Verunreinigung betrachten kann, ist es doch hauptsächlich eine Ressource – nicht bloß eine Kohlenstoffquelle, but die Hauptquelle alles organischen Kohlenstoffs, ohne die Leben auf der Erde in dieser Form nicht entstanden wäre. Obwohl es also sinnvoll ist, es als solche zu nutzen, ist die chemische Konversion von CO2 in industriell relevante Produkte schwierig. Im Kontrast dazu hat die Natur über Jahrmillionen an der Kohlenstoffassimilierung gefeilt. Aus diesem Grund rücken biologische Systeme der CO2-Aufwertung immer mehr in den Fokus. Abgesehen von CO2 können auch andere Einkohlenstoffe, vor allem Formiat und Methanol, in bioelektrischen Hybridsystemen verwertet werden. In solchen werden die Stoffe über die elektrochemische Hydrogenation von CO2 hergestellt und im Anschluss von biologischen Platformorganismen als Kohlenstoff- und Energiequelle genutzt. Formiat sticht hier hervor, da es die höchste energetische Effizienz für die biologische Assimilierung bietet. Allerdings ist die natürliche Formiatassimilierung auf mikrobielle Spezialisten beschränkt, die schwierig zu kultivieren oder genetisch unverfügbar sind. Aus diesem Grund bietet die Etablierung synthetischer Formatotrophie eine Gelegenheit, besser etablierte biologische Plattformen wie E. coli zu nutzen. Hierfür gibt es zwei verschiedene Optionen – zum einen die Transplantation natürlicher Formiatassimilierung, und auf der anderen Seite die Konstruktion vollsynthetischer Stoffwechselwege. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Generation zweier synthetischer Formiatassimilierungsmodule. Zuerst wird eine Reaktionskaskade zur Reduktion von Formiat zu Formaldehyd über Formylphosphat etabliert, welche die Integration von Formiat in methylotrophe Stoffwechselwege ermöglicht. Im Anschluss wird eine neuartige Carboligase entworfen, die Formaldehyd und Formyl-CoA in den Zweikohlenstoff Glycolyl-CoA umwandelt. Eine Kombination dieser Module zeigt deren Potential für die effiziente Formiatassimilierung zu einem Zweikohlenstoff auf. Zusammengefasst bereichert diese Arbeit das Feld der synthetischen Formatotrophie um zwei potente Bausteine, die dem Kohlenstoffstoffwechsel neue Wege ermöglichen.