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A3: Künstliche Stoffwechselwege zur verbesserten CO₂-Fixierung im Chloroplasten

Tobias Erb, Axel Arturo Navarrete Martinez

Fragestellung

Wie können wir mit Hilfe synthetischer Biologie neue, robuste CO₂-Fixierungsmechanismen im Chloroplasten etablieren? Welche künstlichen Stoffwechsel­wege sind geeignet, die photorespiratorische Stressantwort zu mindern?

Hintergrund

In der Photosynthese findet lichtgetriebene CO₂-Fixierung statt, bei der CO₂ durch den Calvin Benson Bassham (CBB) Zyklus in den pflanzlichen Metabolismus bzw. in Biomasse überführt wird. Ein limitierender Faktor der natürlichen Photosynthese ist photo­respiratorischer Stress. Dieser entsteht, wenn das Schlüsselenzym des CBB-Zyklus, Rubisco, nicht mit CO₂, sondern mit O₂ reagiert. Dabei wird der toxische Metabolit 2-Phosphoglycolat (2-PG) gebildet, der in einer komplexen Reaktionssequenz wieder in den CBB-Zyklus zurückgeführt werden muss. Im Photorespirationsweg wird chemische Energie (ATP, Reduktionsäquivalente) benötigt und CO₂ freigesetzt. Es wird geschätzt, dass durch die photorespiratorische Stressantwort 25-30% des zuvor fixierten CO₂ verloren gehen, was den photosynthetischen Ertrag erheblich mindert.

Um dieses Problem zu lösen, wurden erst kürzlich mehrere künstliche Stoffwechselwege als Alternative zur natürlichen Photorespiration vorgeschlagen. Diese künstlichen Stoffwechselwege kommen ohne Verlust von CO₂ aus, bzw. können sogar zusätzliches CO₂ fixieren, was die Photorespiration zu einer Kohlenstoff-Senke macht und auch unter Stress die Photosynthese robust und ohne Verlust von CO₂ funktionieren lassen würde.

Einige dieser Stoff­wechsel­wege konnten in vitro etabliert werden. Zur erfolgreichen Realisierung in vivo, müssen diese im nächsten Schritt erfolgreich im lebenden Organismus bzw. Chloroplasten etabliert und optimiert werden. Die Alge C. reinhardtii bietet sich für diese Zwecke als Modellsystem an: C. reinhardtii besitzt nur einen einzigen Chloroplasten, was genetisches Arbeiten (und experimentelle Evolution) erheblich vereinfacht; photorespiratorischer Stress kann in der Mikroalge relativ einfach durch Ausschalten der Pyrenoidstruktur induziert werden und durch die schnelle Generationszeit des Einzellers in Flüssigmedium kann adaptive Laborevolution (ALE) eingesetzt werden, um die neuen Stoffwechselwege zu optimieren.