Regeneration des Cofaktors
Damit die reduktive Carboxylierungsreaktion abläuft, benötigt das Enzym Enoyl‑CoA‑Carboxylase/Reduktase NADPH als Cofaktor. Dieses kleine organische Molekül fungiert als Protonen- bzw. Elektronendonator und wird im Lauf jeder einzelnen Reaktion verbraucht. Die Cofaktoren für eine synthetische Reaktion neu bereitzustellen, wäre in größerem Maßstab sehr teuer und damit unwirtschaftlich. Um die Cofaktor-Moleküle ebenfalls mithilfe von Strom und nach dem gleichen Reaktionsprinzip zu regenerieren und damit für einen neuen Reaktionszyklus bereitzustellen, wurde im Projekt ein weiteres Enzym als Recycling-Modul im Redox-Hydrogel immobilisiert.
Demonstration: CO2-Einbau in Crotonyl-CoA
Mit dem neuartigen Ansatz zur CO2-Reduktion, der Technologien der Bioelektrokatalyse, Materialchemie und der synthetischen Biologie vereint, konnte die Machbarkeit des Prozesses im Milliliter-Maßstab gezeigt werden. Der Ansatz ermöglichte den regio- und stereoselektiven Einbau von CO2 in Crotonyl-CoA und lieferte das bisher komplexeste Produkt, das in der bioelektrokatalytischen CO2-Konversion bekannt ist. Die Untersuchungen wurden 2021 in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie publiziert und als »Hot Paper« eingestuft.
Modulare Plattformtechnologie
Das elektrobiokatalytische Reaktionssystem ist modulartig erweiterbar und damit als Plattformtechnologie einsetzbar. Aus bioinformatischen Datenbanken können je nach Zielmolekül (Syntheseprodukt) passende Enzyme ausgewählt, biotechnologisch hergestellt und in die Hydrogele eingebaut werden. Das eBioCO2n-Modul ermöglicht damit die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien, die über spezifische Enzymkaskaden nach Bedarf diversifiziert werden können. Dies birgt für Unternehmen der Pharmaindustrie, Agrochemie oder Lebensmittelindustrie großes Potenzial.
Auswirkung
Die chemische Synthese auf Basis biokatalytischer CO2‑Fixierung ermöglicht eine neue Form der Kreislaufwirtschaft, indem Strom aus erneuerbaren Quellen zur enzymatischen Herstellung wertschöpfender Feinchemikalien genutzt und chemische Syntheseprozesse von fossilen Rohstoffen entkoppelt werden.