Design und Aufbau eines Multi-Enzym-CO2 Fixierungssystems

• Antragsteller: Professor Ulrich Schwaneberg, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410477515

Die derzeitige Nutzung fossiler Brennstoffe führt langfristig zu einer Ressourcenverknappung und verursacht schon heute Smog, Treibhausgas- und Feinstaubemissionen. Somit ist die Nutzung nachwachsender Rohstoffe wie Biomasse und Sonnenenergie bei der nachhaltigen Produktion von Basischemikalien und Energie von zentraler Bedeutung. Die auf CO2 basierende „Dritte Generation“ der Biotechnologie ist daher im Fokus der weltweiten biotechnologischen Forschung. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die enzymatische CO2-Fixierung interessant, da bei dieser keine Nebenprodukte entstehen und die technischen Prozesse relativ einfach umsetzbar und steuerbar sind. Die derzeitigen Hürden für die Nutzung der enzymatischen CO2-Fixierung sind fehlende oder ineffiziente Systeme für die Reduktion und Kofaktor-Regeneration, die zu limitierenden Engpässen in der der Reaktionskaskade führen. Ziel des Projektes „FixZyme“ ist die Entwicklung einer einfachen, aber effektiven Enzymkaskade für die CO2-Fixierung. In einem vierstufigen Prozess wird CO2 schrittweise reduziert und Dihydroxyaceton, eine vielversprechende industrielle Grundchemikalie, produziert. Für eine effiziente Kofaktorregeneration werden sowohl enzymatische (eine sauerstofftolerante [NiFe]-Hydrogenase, die H2 zur Reduktion von NAD nutzt) als auch photokatalytische/elektrochemische Ansätze evaluiert. Eine Auswahl von Oxidoreduktasen wird mittels Protein Engineering auf bestmögliche katalytische Effizienz und Stabilität optimiert. Ein grundlegendes Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen, Stoffwechselflüsse und Enzymmorphologien soll mittels umfassenden Computermodellen und –simulationen erlangt werden. Diese Analysen bilden die Grundlage der weiterführenden iterativen Prozesse des Protein Engineerings. In diesem Projekt vereinen die Projektpartner (RWTH und BUCT) ihre Expertisen im Protein Engineering, der Enzymproduktion und –aufreinigung, Computational Biology, sowie der Immobilisierung und der physicochemischer Analyse, um gemeinsam ein hochaktives und effizientes CO2-fixierendes Enzymsystem zu entwickeln. Das Projekt FixZyme ist nicht nur von großer Bedeutung für das rationale Design hocheffizienter Enzyme sondern auch für das Verständnis der Oberflächeninteraktionen, die die Selbstassemblierung von Multienzymkomplexen regulieren und der zugrundliegenden evolutionären Grundlagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tan Tianwei