Formiat gilt als vielversprechender Ausgangsstoff für biotechnologische Verfahren zur Nutzung von CO₂. Forschende am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie haben ein künstlich entwickeltes Enzym vorgestellt, das als Formiat-Reduktase (FAR) bezeichnet wird und einen zentralen Umwandlungsschritt ermöglicht.
FAR setzt Formiat direkt zu Formaldehyd um und verbindet damit CO₂-basierte Ausgangsstoffe mit biologischen Stoffwechselwegen. Der Ansatz reduziert die Komplexität bisheriger Verfahren und schafft eine stabile Grundlage für biotechnologische Prozesse, in denen Formiat als Rohstoff eingesetzt wird.
Formiat wird als CO₂-basierter Rohstoff biotechnologisch untersucht
Für eine kohlenstoffneutrale Bioökonomie werden Verfahren benötigt, die CO₂ effizient binden und in verwertbare Produkte überführen. Ameisensäure beziehungsweise ihr Salz Formiat lässt sich mithilfe erneuerbaren Stroms elektrochemisch aus CO₂ herstellen. Formiat ist gut transportierbar, vergleichsweise ungiftig und vielseitig einsetzbar, weshalb es als potenzieller Ausgangsstoff für biotechnologische Produktionsprozesse untersucht wird.
In der Forschung steht dabei die Frage im Mittelpunkt, wie Mikroorganismen mit CO₂-basiertem Formiat versorgt werden können, um daraus Grundchemikalien, Treibstoffe oder Materialien herzustellen. Bislang konnten jedoch nur wenige Organismen Formiat direkt verwerten. Bestehende biologische Wege erwiesen sich häufig als ineffizient oder nur eingeschränkt belastbar, was eine breitere biotechnologische Nutzung begrenzte.
Synthetischer Stoffwechselweg verarbeitet Formiat in lebenden Bakterien
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das Team am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie einen vollständig synthetischen Formylphosphat-Stoffwechselweg, der in lebende E.-coli-Bakterien eingebaut wurde. Der Ansatz ermöglicht es, Formiat in lebenden Zellen zu verarbeiten, obwohl natürliche Stoffwechselwege diesen Umwandlungsschritt umgehen.
Kooperationspartner Dr. Sebastian Wenk von der Universität Groningen ordnet die Bedeutung dieses Ansatzes ein: „Unsere Arbeit zeigte, dass ein synthetischer Stoffwechselweg zur Verarbeitung von Formiat in lebenden Organismen funktioniert – ein bedeutender Schritt zur Entwicklung biotechnologisch nutzbarer Mikroorganismen, die aus CO₂ gewonnenes Formiat zur Herstellung von Lebensmitteln, Kraftstoffen und Materialien einsetzen können.“ Das entstehende Formaldehyd wird dabei unmittelbar weiterverarbeitet und reichert sich nicht in der Zelle an.
Komplexe enzymatische Kaskaden begrenzen die Nutzung von Formiat
Trotz dieser Fortschritte blieb die Verbindung zwischen Formiat und dem Zellstoffwechsel technisch anspruchsvoll. Die synthetischen Wege konkurrieren mit natürlichen Stoffwechselprozessen, die sich über Millionen Jahre evolutionär entwickelt haben und entsprechend effizient arbeiten.
Hinzu kam, dass bisherige biotechnologische Ansätze auf mehrstufigen enzymatischen Kaskaden beruhten, die empfindliche Zwischenprodukte wie Formylphosphat oder Formyl-CoA freisetzen. Diese Moleküle sind chemisch instabil und können leicht zerfallen oder unerwünschte Nebenreaktionen eingehen. Für industrielle Anwendungen stellte dies eine erhebliche Hürde dar, insbesondere mit Blick auf das Ziel, Mikroorganismen ausschließlich mit Formiat zu versorgen.
Formiat-Reduktase FAR ermöglicht direkte Umwandlung von Formiat
Den entscheidenden Durchbruch erzielte das Team mit der Entwicklung der Formiat-Reduktase FAR. Das künstlich entwickelte Enzym setzt Formiat direkt zu Formaldehyd um und ersetzt damit komplexe, störanfällige Reaktionsfolgen durch einen einzigen enzymatischen Schritt. FAR basiert auf einer Carboxylsäure-Reduktase aus dem Bakterium Mycobacteroides abscessus, die durch gezielte Mutagenese und Hochdurchsatz-Screening so verändert wurde, dass sie bevorzugt kleine Moleküle wie Formiat umsetzt.
Forschungsgruppenleiterin Dr. Maren Nattermann erläutert: „Mit FAR haben wir erstmals ein einzelnes, robustes Enzym, das Formiat zuverlässig zu Formaldehyd reduziert – genau dort, wo viele biotechnologische Wege beginnen.“ Damit stehe ein zentraler Baustein für künftige Biokonversionen zur Verfügung, die auf CO₂-basierten Rohstoffen beruhen.
Enzym FAR toleriert hohe Formiatkonzentrationen
Ein wesentlicher Vorteil von FAR ist seine Stabilität bei hohen Formiatkonzentrationen. Gerade unter solchen Bedingungen versagten frühere enzymatische Systeme nahezu vollständig. Erstautor Philipp Wichmann betont: „Das Wichtigste ist, dass unser Enzym selbst hohe Formiatkonzentrationen toleriert – denn unter diesen Bedingungen versagten frühere Systeme nahezu vollständig.“
Diese Eigenschaft ist insbesondere für industrielle Prozesse relevant, in denen Formiat elektrochemisch in hohen Konzentrationen erzeugt wird. Die Entwicklung von FAR wurde durch den Einsatz von Hochdurchsatzmethoden ermöglicht. Nach dem Screening von etwa 4.000 Enzymvarianten konnte die Formaldehydproduktion im Vergleich zur Ausgangsvariante um etwa das Fünffache gesteigert werden.
FAR kann in Zellen und zellfreien Systemen eingesetzt werden
Mit der Formiat-Reduktase FAR steht nun ein Enzym zur Verfügung, das sowohl in lebenden Zellen als auch in zellfreien Systemen oder elektrobiochemischen Produktionslinien eingesetzt werden kann. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Herstellung von Grundchemikalien, Biokunststoffen oder Treibstoffen aus CO₂-basiertem Formiat.
Die Forschenden planen, FAR mit weiteren synthetischen Stoffwechselwegen zu kombinieren, um die Produktion energiereicher Moleküle weiter auszubauen. Ziel ist es, stabile biotechnologische Prozesse zu entwickeln, in denen Formiat langfristig als CO₂-basierter Rohstoff genutzt werden kann.