Konstruktion eines Aldolase-abhängigen synthetischen Stoffwechselweges für Bioproduktsynthesen aus Ethylenglykol ohne Kohlenstoffverlust

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Walther
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565916835

Ethylenglykol (EG) ist ein attraktives Ausgangsmaterial für die industrielle Bioproduktion, das aus CO2, Kunststoffabfällen oder lignozellulosehaltiger Biomasse gewonnen werden kann. Zwar können verschiedene Bakterienarten auf EG wachsen, aber die natürlichen Stoffwechselwege weisen eine geringe Kohlenstoffeffizienz für die Acetyl-CoA-Synthese auf. Dies resultiert in einem 50%igen Kohlenstoffverlust in Form von CO2. Acetyl-CoA ist ein Schlüsselmetabolit im zentralen Stoffwechsel und dient als Vorläufer für die Biomassebildung bzw. für die Biosynthese industriell relevanter Produkte (z. B. Isoprenoide, Fettsäuren). Zuletzt wurden verschiedene Synthesewege für die kohlenstofferhaltende Umwandlung von EG in Acetyl-CoA entwickelt. Jedoch sind die Raten bzw. Affinitäten der Schlüsselenzyme zu niedrig, um physiologisch relevant zu sein. Dieser Projektantrag geht diese Herausforderungen durch die Entwicklung eines neuen, alternativen kohlenstoffkonservierenden Syntheseweges von Acetyl-CoA aus EG an, der aus Reaktionen besteht, die alle in natürlichen Enzymen vorkommen. Der neue zyklische Stoffwechselweg basiert auf Glycin als Glycolaldehyd-Akzeptormolekül, das bei der Spaltung von Threonin durch ein Aldolase-Enzym regeneriert wird. Das ebenfalls entstehende Acetyladehyd wird in Acetyl-CoA umgewandelt. Ein wichtiges Enzym ist die 4-Hydroxy-Threonin (4HT)-Desaminase, die 4HT zu 2-Oxo-4-Hydroxybutyrat desaminiert. Die Aktivität wurde im IlvA Enzym aus Escherichia coli nachgewiesen. Da das Enzym sowohl auf Threonin als auch auf 4HT aktiv ist, könnte dessen Anwendung Kohlenstoffverlust zur Folge haben. Daher werden Enzyme anderer biologischer Quellen mit Aktivität auf strukturell ähnlichen Substraten wie 4HT wie Serin-Desaminase untersucht. Sie dienen als Grundlage für die gerichtete Evolution basierend auf zufälliger Mutagenese kombiniert mit einem Hochdurchsatz-Screening. Mittels wachstumsbasierter Selektion in einem Acetyl-CoA auxotrophen Testerstamm soll die Umwandlung von EG in Acetyl-CoA demonstriert werden. Der Modellorganismus Pseudomonas putida dient als Wirtsstamm. Die Reaktionssequenz wird zudem in einen nicht-auxotrophen Stamm übertragen, um zu zeigen, dass EG tatsächlich als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle für die Biomassebildung dient. Adaptive gerichtete Evolution soll zur Leistungssteigerung des Stoffwechselweges eingesetzt werden, komplementiert durch Genomsequenzierung zur Identifizierung zugrundeliegender genetischer Veränderungen. Um das Potenzial der neuen Technologie zu demonstrieren, soll ein Produktionsstamm für die Herstellung des Isoprenoid-Vorläufers Mevalonat ausgehend von EG entwickelt werden. Die konstruierten Stämme werden in Bioreaktorkultivierungen getestet, begleitet von 13C-Stoffflussanalysen. Insgesamt zielt das Projekt auf die In-vivo-Realisierung eines synthetischen Stoffwechsels für die Biokonversion von EG ab und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur zirkulären Bioökonomie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen