Forscher des Joint BioEnergy Institute (JBEI) des US-Energieministeriums und des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben ein neues Enzym entdeckt, das die mikrobielle Produktion einer erneuerbaren Alternative zu Toluol auf Erdölbasis, einem weit verbreiteten Oktan-Booster in Benzin, ermöglichen wird hat einen globalen Markt von 29 Millionen Tonnen pro Jahr.
Die Ergebnisse einer Studie unter der Leitung von Harry Beller , Senior Scientist im Berkeley Lab und wissenschaftlicher Leiter am JBEI , wurden am Montag in der Zeitschrift Nature Chemical Biology veröffentlicht. Die anderen leitenden Co-Autoren sind Andria Rodrigues und Kamrun Zargar von JBEI.
Ein Hauptschwerpunkt der Forschung am JBEI und in der breiteren Gemeinschaft von Biokraftstoffforschern ist die Produktion von industriell und kommerziell relevanten Kraftstoffen und Chemikalien aus erneuerbaren Ressourcen, wie Lignozellulose-Biomasse, und nicht aus Erdöl. Das in dieser Studie entdeckte Enzym wird die erstmalige mikrobielle Produktion von biobasiertem Toluol und tatsächlich die erste mikrobielle Produktion von aromatischen Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffen ermöglichen.
Die Entdeckung des Enzyms resultierte aus der intensiven Untersuchung von zwei sehr unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften, die Toluol produzierten. Eine Gemeinschaft enthielt Mikroben aus Seesedimenten und die andere aus Klärschlamm. Da Mikroben in der Umwelt ein Reservoir von Enzymen sind, die eine außerordentlich vielfältige Reihe chemischer Reaktionen katalysieren, ist es für Wissenschaftler, die in der Biotechnologie arbeiten, nicht ungewöhnlich, Enzyme aus der Natur zu beziehen.
Beller war motiviert, biobasiertes Toluol zu untersuchen, nachdem er Literaturberichte aus den 1980er Jahren gelesen hatte, die die mikrobielle Toluolbiosynthese in anoxischen Seesedimenten aufzeigten. Trotz einer Reihe von Berichten über die bakterielle Toluolproduktion seit dieser Zeit war die Identität des Enzyms, das diese biochemisch anspruchsvolle Reaktion katalysiert, jahrzehntelang ein Rätsel.
Das Toluol-synthetisierende Enzym, das in dieser Studie entdeckt wurde, Phenylacetat-Decarboxylase, gehört zu einer Familie von Enzymen, die als Glycyl-Radikal-Enzyme (GREs) bekannt sind. Wissenschaftler begannen erst in den 1980er Jahren, GREs zu erkennen, und Phenylacetatdecarboxylase ist erst der achte bekannte GRE-Reaktionstyp, der seitdem entdeckt und charakterisiert wurde. Metagenomische Beweise, die in der JBEI-Studie und anderen vorgelegt wurden, weisen jedoch darauf hin, dass viel mehr GREs in der Natur existieren, die noch charakterisiert werden müssen.
Die radikalische Natur von GREs ermöglicht es ihnen, chemisch anspruchsvolle Reaktionen zu katalysieren, wie z. B. die anaerobe Decarboxylierung von Phenylacetat zur Erzeugung von Toluol. Über ihre potenziellen biotechnologischen Anwendungen hinaus sind eine Reihe bekannter GREs für die menschliche Gesundheit relevant und kommen im menschlichen Darmmikrobiom vor.
Der Prozess der Enzymentdeckung für dieses Projekt war sowohl herausfordernd als auch unkonventionell. Die Forscher begannen zunächst mit einer Bakterienart zu arbeiten, von der berichtet wurde, dass sie Toluol herstellt, aber als diese Berichte nicht reproduzierbar zu sein schienen, wandten sich die Wissenschaftler der Umwelt für toluolproduzierende Kulturen zu – insbesondere kommunalen Abwässern und anoxischen Seesedimenten.
„Alle Enzymentdeckungsprojekte sind eine Herausforderung. Aber der Übergang von der Entdeckung in einer einzelnen Bakterienart zur Entdeckung in einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft aus Klärschlamm oder Seesedimenten war um Größenordnungen schwieriger“, sagt Beller. „Diese Studie wurde zu einer Nadel-im-Heuhaufen-Suche nach dem Toluol-produzierenden Enzym in einem Kandidatenpool von Hunderttausenden von Enzymen.“
Tatsächlich ergaben Metagenomanalysen, dass diese mikrobiellen Gemeinschaften jeweils mehr als 300.000 Gene enthielten – das Äquivalent von mehr als 50 Bakteriengenomen. Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass die anaeroben mikrobiellen Gemeinschaften und viele ihrer Enzyme sauerstoffempfindlich waren, was die Wissenschaftler zwang, Kulturen und Enzyme unter streng anaeroben Bedingungen zu manipulieren.
Der Entdeckungsprozess kombinierte Proteinreinigungstechniken, die von Biochemikern jahrzehntelang verwendet wurden, wie z. B. schnelle Proteinflüssigkeitschromatographie, mit modernen metagenomischen, metaproteomischen und damit verbundenen bioinformatischen Analysen, von denen einige in Zusammenarbeit mit dem Joint Genome Institute, einem DOE Office of Science, durchgeführt wurden Benutzereinrichtung. Ein wichtiger Bestandteil des Entdeckungsprozesses bestand darin, die Vorhersagen der Forscher über das Toluol-Biosynthese-Enzym mit Experimenten zu validieren, bei denen hochgradig kontrollierte Assays mit gereinigten Proteinen verwendet wurden.
Eine faszinierende Frage, die sich aus dieser Forschung ergibt, lautet: Warum würde ein Bakterium Toluol produzieren? Die Forscher haben keine endgültige Antwort, stellen aber in dem Papier zwei Hypothesen vor. Eine Möglichkeit ist, dass das Bakterium Toluol als Toxin produziert, um andere Mikroben in seiner Umgebung zu überflügeln. Eine andere Hypothese ist, dass die Phenylacetat-Decarboxylase (Toluol produzierende) Reaktion eine Strategie für das Bakterium bereitstellt, um seinen inneren pH-Wert in einer etwas sauren, fermentativen Umgebung zu regulieren.
Beller und seine Kollegen glauben, dass ihre Studienergebnisse Auswirkungen auf die Grundlagen- und angewandte Wissenschaft haben. Aus biochemischer Sicht erweitert die Studie den bekannten katalytischen Bereich von GREs und aus biotechnologischer Sicht wird sie die erstmalige biochemische Synthese eines aromatischen Kraftstoffkohlenwasserstoffs aus erneuerbaren Ressourcen ermöglichen.
„Wir müssen noch so viel über die außergewöhnliche Stoffwechselvielfalt von Bakterien lernen“, sagte Beller. „Im Laufe der Evolution hat die Natur Enzyme entwickelt, die schwierige chemische Reaktionen katalysieren können, und wenn wir diese entdecken, können wir sie für die Biotechnologie nutzbar machen.“
JBEI ist ein vom DOE Office of Science finanziertes Bioenergie-Forschungszentrum des DOE. Die anderen Co-Autoren der Veröffentlichung „Discovery of Enzymes for Toluol Synthesis from Anoxic Microbial Communities“ sind Yu-Wei Wu, Avneesh K. Saini, Renee M. Saville, Jose H. Pereira, Paul D. Adams, Susannah G Tringe, Christopher J. Petzold und Jay D. Keasling.