Methylotrophe Hefen für die industrielle Biotechnologie

Fließschema einer zukünftigen CO<sub>2</sub> -Verwertungskaskade. Unter Verwendung erneuerbarer Energie, Carbon Capture and Utilization (CCU) Technologien und der synthetischen Methylotrophie in Hefen kann CO<sub>2</sub>  als ein nahezu unbegrenzt verfügbarer Rohstoff aufgefasst werden. CO<sub>2</sub>  kann zur Produktion von Wertchemikalien mit einem breiten Vermarktungs- und Anwendungspotenzial genutzt werden
© Fraunhofer IGB
Fließschema einer zukünftigen CO2-Verwertungskaskade. Unter Verwendung erneuerbarer Energie, Carbon Capture and Utilization (CCU) Technologien und der synthetischen Methylotrophie in Hefen kann CO2 als ein nahezu unbegrenzt verfügbarer Rohstoff aufgefasst werden. CO2 kann zur Produktion von Wertchemikalien mit einem breiten Vermarktungs- und Anwendungspotenzial genutzt werden

Methylotrophe Hefen für die industrielle Biotechnologie

Ein Schlüssel zur effektiven Begrenzung des Klimawandels liegt in der Entwicklung nachhaltiger Produktionsprozesse für die chemische Industrie. Vor diesem Hintergrund rücken insbesondere Prozesse und Prozesskaskaden in den Fokus der Forschung, die auf der Nutzung von Kohlenstoffdioxid (CO2) als Rohstoff basieren.

Neue Generation biotechnologischer Produktionsverfahren: Elektrochemisch aus CO2 hergestellte C1-Intermediate als Substrat

Ausgangspunkt derartiger biotechnologischer Verfahren ist die heterogen- oder elektrokatalytische Konversion von CO2 zu mikrobiellen C1‑Fermentationssubstraten wie Methanol oder Ameisensäure. Diese Substrate können von methylotrophen Mikroorganismen, unter anderem auch von methylotrophen Hefen, in Biomasse umgewandelt, aber auch in vielfältige chemische Verbindungen umgesetzt werden, die sich als Futtermittelzusätze, Feinchemikalien, Polymerbausteine oder Biokraftstoffe nutzen und vermarkten lassen. Derartige Ansätze repräsentieren eine neue Generation biotechnologischer Produktionsprozesse, die im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren ohne den Einsatz biogener Rohstoffe, wie etwa Zucker, auskommen und somit eine mögliche Konkurrenzsituation mit der Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln vermeiden.

Die Nutzung des Rohstoffs CO2 als zentrales Element einer zirkulären und wirklich nachhaltigen Wirtschaft ermöglicht demnach eine ausgeprägte Skalierbarkeit von Produktionsprozessen, ohne die ökologischen und sozio‑ökonomischen Risiken einer intensivierten Nutzung von Biomasse und biogenen Rohstoffen.

Nutzbarmachung von C1‑Substraten mit methylotrophen Mikroorganismen

Zentraler Baustein dieser Verfahren sind methylotrophe Mikroorganismen, die in vielfältiger Form in der Natur zu finden sind. Es existiert eine begrenzte Anzahl an methylotrophen Stoffwechselwegen, die ihre Wirtsorganismen zur Verwertung von Methanol befähigen, allerdings in eng gesteckten energetischen Grenzen und evolutionär auf die Biomassebildung in ökologischen Nischenhabitaten optimiert. Die Auflösung dieser metabolischen Einschränkungen und die Optimierung der herausfordernden genetischen Modifikation der natürlich methylotrophen Wirtsorganismen bilden ein zentrales Leitmotiv der derzeitigen Forschungsaktivitäten am Straubinger Institutsteil BioCat des Fraunhofer IGB.

Synthetische Methylotrophie: Mit Metabolic Engineering zu Hochleistungs-produktionsstämmen

Im Fokus steht insbesondere die synthetische Methylotrophie. Diese kann durch die Einbringung der bekannten beteiligten Enzyme oder neuer, maßgeschneiderter, synthetischer Stoffwechselwege in konventionell und gut verstandene sowie industriell genutzte Wirtsorganismen wie E. coli etabliert werden. Der einhergehende Wissensvorsprung bei der Nutzung dieser Organismen erlaubt eine effizientere und schnellere Entwicklung von Hochleistungsproduktionsstämmen, die industrielle Bedürfnisse erfüllen. Die Ansätze der synthetischen Biologie können diese synthetisch methylotrophen Mikroorganismen dazu befähigen, eine Reihe von Grundchemikalien, basierend auf CO2, zu gewinnen.

Kompartimentierung in Hefen erlaubt Verstoffwechselung von Zellgiften wie Methanol

Als relevante Plattformorganismen für die Industrie bieten insbesondere Hefen hervorragendes Potenzial durch eine erhöhte Toleranz gegenüber niedrigen pH‑Werten und durch die Verfügbarkeit etablierter Methoden für die genetische Modifikation. Ein weiterer Vorteil der synthetischen Methylotrophie in Hefen ist die Fähigkeit dieser Organismen, die Bildung toxischer Zwischenprodukte sowie damit verbundene metabolische Reaktionen auf Organellen wie die Peroxisomen zu begrenzen. Diese intrazelluläre und räumliche Kompartimentierung kann genutzt werden, um robuste synthetisch methylotrophe Hefen zu entwickeln, die in der Lage sind, effizient Methanol zu verwerten. Somit stellen synthetisch methylotrophe Hefen ein überaus spannendes und vielfältiges Werkzeug der Biotechnologie dar, das die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen reduziert und schließlich zur Etablierung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft beitragen kann. Am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB wird intensiv an der Entwicklung synthetisch methylotropher Hefen als biotechnologische Produktionsstämme gearbeitet.

Publikation

Die am Fraunhofer IGB im Institutsteil BioCat in Straubing hierzu verfolgten biotechnologischen Ansätze wurden im Fachjournal »Trends in Biotechnology« veröffentlicht. Dabei geht es speziell um Potenziale und Möglichkeiten der Verwendung von synthetisch methylotrophen Hefen als Produktionsstämme in der industriellen Biotechnologie.

Jonathan Thomas Fabarius, Vanessa Wegat, Arne Roth, Volker Sieber (2020) Synthetic Methylotrophy in Yeasts: Towards a Circular Bioeconomy, Trends in Biotechnology, Pages No. 1-11. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.08.008