Innovation ebnet den Weg zur Herstellung von "sauberen" Chemikalien, Kunststoffen und Lebensmitteln mit Hilfe von Sonnenenergie

In Zukunft könnte diese Technologie zur Herstellung umweltfreundlicher Chemikalien, Kunststoffe oder sogar mikrobieller Proteine eingesetzt werden.

Das Gerät kombiniert eine organische Solarzelle, eine Halbleiterelektrode, zwei Enzyme und ein gentechnisch verändertes Bakterium und wandelt CO₂ und Wasser in lebende Biomasse um, wobei die Phasen der natürlichen Photosynthese ohne Pflanzen, Algen oder photosynthetische Mikroben reproduziert werden.

Solarbetriebene Chemie und künstliche Bakterien

Die heutige chemische Industrie wird mit fossilen Brennstoffen betrieben. Zwei saubere Alternativen entwickeln sich parallel dazu: die solargetriebene Chemie, bei der Sonnenlicht CO₂ in nützliche kleine Moleküle umwandelt, und technische Bakterien, die so programmiert werden können, dass sie eine breite Palette von Chemikalien herstellen. Mehrere frühere biohybride Geräte haben bereits einen abiotischen Lichtabsorber und eine Mikrobe in ein und demselben Reaktor untergebracht, wobei verschiedene Kombinationen von Katalysatoren, Zwischenprodukten und Wirtsorganismen verwendet wurden.

In diesem Beitrag wird die Frage gestellt, ob die gleiche Ein-Topf-Integration mit einer Reihe von Komponenten erreicht werden kann, die sich auf beiden Seiten technisch bearbeiten lassen, insbesondere ein organischer Lichtabsorber, ein gereinigtes Enzym als CO₂-Reduktionskatalysator, der lösliche einkohlenstoffhaltige Energieträger Formiat und ein gentechnisch verändertes E. coli-Chassis. Diese Kombination ist wichtig, weil jede dieser Komponenten unabhängig voneinander eingestellt oder ausgetauscht werden kann (die Solarzelle neu gestaltet, das Enzym neu entwickelt, der Stamm für ein Zielprodukt neu verdrahtet), so dass eine Plattform entsteht, die so konzipiert ist, dass sie modifiziert werden kann und nicht auf eine bestimmte Chemie festgelegt ist.

Damit eine saubere chemische Industrie die fossilen Brennstoffe ersetzen kann, müssen die Chemie, die CO₂ abfängt, und die Biologie, die es in nützliche Produkte umwandelt, letztendlich dasselbe Gerät benutzen. Zweistufige Prozesse mit manuellem Transfer zwischen den Reaktoren sind zu teuer und ineffizient, um sie zu skalieren. Diese Arbeit ist ein erster Beweis dafür, dass die Chemie und die Biologie in einem Becherglas kompatibel gemacht werden können, was die Grundlage für jede zukünftige integrierte Solarraffinerie für Chemikalien, Materialien und mikrobielle Proteine darstellt.

Im Inneren des Reaktors treibt das Sonnenlicht zwei Reaktionen an, und eine dritte Reaktion folgt in der gleichen Flüssigkeit. An einer Elektrode spaltet das Sonnenlicht das Wasser und setzt dabei Sauerstoff frei, den die Bakterien atmen können. Es treibt ein Enzym an einer zweiten Elektrode an, das CO₂ aus der Flüssigkeit auffängt und es in Formiat umwandelt, ein kleines Molekül, das die aufgefangene Sonnenenergie in eine Form bringt, die die Bakterien als Brennstoff nutzen können. Die Bakterien nehmen dann das Formiat auf, verbrennen es zur Energiegewinnung mit dem Sauerstoff, den das Gerät gerade hergestellt hat, und nutzen diese Energie, um sich aus weiterem CO₂, das in derselben Flüssigkeit gelöst ist, aufzubauen. Sonnenlicht geht hinein. Lebende Bakterien kommen heraus.

Der Wert der Arbeit liegt darin, dass sie zeigt, dass die gesamte Kette, von den Photonen bis zur E. coli-Biomasse in einer Flüssigkeit, überhaupt möglich ist. Dies öffnet den Weg für den Austausch von Bakterienstämmen, die neben Biomasse auch andere Zielchemikalien produzieren.

Dr. Lin Su, Dozentin an der Queen Mary University of London, sagte: "Bisher bestand das Problem bei dem Versuch, lebende Biomasse wie Bakterien in einem solarbetriebenen chemischen Reaktor zu erzeugen, darin, dass die Chemie normalerweise giftige Metallionen freisetzt, die die Bakterien vergiften. Wir haben gezeigt, dass ein solarbetriebener chemischer Reaktor und künstliche Bakterien sich ein einziges Becherglas teilen können und Sonnenlicht, Wasser und CO₂ nutzen, um lebende Biomasse sicher zu züchten.

"Sobald diese Integration funktioniert, kann ein synthetischer Biologe einen anderen manipulierten E. coli-Stamm an die gleiche Hardware anschließen, um ein anderes Molekül zu produzieren.

"Wir befinden uns zwar noch in einem frühen Stadium, da die Erträge noch gering sind und der Reaktor eher stunden- als wochenlang läuft, aber es ist sehr vielversprechend."

Dr. Celine Wing See Yeung von der University of Cambridge sagte: "Das Projekt setzt sich wie ein Puzzle zusammen, das durch jahrelange Forschung geformt wurde - von der Befähigung der organischen Photovoltaik, bei hohen Temperaturen zu funktionieren, bis hin zur Weiterentwicklung der Enzymreinigung und ihrer Integration mit der synthetischen Biologie. Gemeinsam zeigen wir, wie Materialchemie und synthetische Biologie ihre Kräfte bündeln können, um solarbetriebene chemische Raffinerien der Zukunft zu entwickeln."

Professor Ron Milo vom Weizmann Institute of Science sagte: "Die erfolgreiche Integration dieser beiden Systeme wird der Schlüssel zu nachhaltigen Produktionstechnologien sein. Fortschritte bei der Züchtung von Bakterien unter Verwendung von CO2 eröffnen die Möglichkeit, unsere Lebensmittel auf eine Weise zu liefern, die viel weniger Land und Wasser verbraucht und die die klimatischen und ökologischen Herausforderungen, denen sich die Menschheit gegenübersieht, deutlich abschwächen kann." Professor Erwin Reisner von der University of Cambridge sagte: "Unsere Studie zeigt, dass synthetische Lichtabsorber in nicht-photosynthetische Mikroben integriert werden können, um die Kernreaktion der natürlichen Photosynthese anzutreiben. Diese Leistung wurde durch einen interdisziplinären Ansatz ermöglicht, bei dem Halbleiter sorgfältig ausgewählt und mit isolierten Enzymen und künstlichen Mikroben in einem solarbetriebenen Gerät kombiniert wurden. Dieser Ansatz eröffnet aufregende neue Möglichkeiten für die Herstellung hochwertiger Chemikalien durch semi-biologische Systeme für eine nachhaltige Produktion, indem er die Grenzen der synthetischen Biologie ausnutzt.