eBioCO₂n – Stromgetriebene CO₂-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden zur Herstellung von Spezialchemikalien

Herausforderung

Für die stromgetriebene Synthese von Chemikalien kommen nicht nur chemisch‑katalytische Verfahren in Betracht. Vielmehr ist es auch denkbar, CO₂‑fixierende elektronenübertragende Biokatalysatoren mit weiteren enzymatischen Umsetzungsschritten in Form einer Enzymkaskade zur Herstellung von Feinchemikalien zu verknüpfen.

Vorhaben

Dieser Herausforderung stellt sich das Projekt »eBioCO₂n«, das gemeinsam von Fraunhofer- und Max‑Planck-Wissenschaftlern bearbeitet wird. Ziel des ambitionierten Vorhabens ist es, die Machbarkeit solch bioelektrokatalytischer Synthesen mit einem Demonstrator im 10‑ bis 100‑mL‑Maßstab zu zeigen. Hierzu sollen geeignete CO₂‑fixierende Enzyme mittels neuer molekularer Architekturen auf Elektroden (Kathoden) assembliert und – je nach Zielprodukt – mit weiteren spezifischen Enzymen zu kontinuierlichen und gekoppelten Reaktionskaskaden kombiniert werden.

Immobilisierung der CO₂-fixierenden Enzyme im Hydrogel

Für die biokatalytische CO₂-Fixierung kommen spezielle, am Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie in Marburg in der Gruppe von Prof. Tobias Erb entwickelte Redoxenzyme zum Einsatz, sogenannte Enoyl‑CoA‑Carboxylasen/Reduktasen. Diese binden CO₂ über eine reduktive Carboxylierung an ein Substrat und wandeln es somit in ein wertvolles Intermediat um. Die Enzyme gehören zu den effizientesten CO₂‑umwandelnden Biokatalysatoren, die bisher beschrieben wurden.

Für den effizienten und kontinuierlichen Transfer der Elektronen, die der regenerative Strom liefern kann, werden die CO₂-fixierenden Enzyme in einem maßgeschneiderten redoxaktiven Hydrogel auf Viologenbasis auf Elektroden immobilisiert. Die Grundlagen hierfür wurden an der Technischen Universität München (TUM) am Lehrstuhl von Prof. Nicolas Plumeré entwickelt und sichern den Elektronenfluss in einem dreidimensionalen Raum. Auf diese Weise können große Mengen an Enzymen eingesetzt werden, sodass eine hohe Produktausbeute erreichbar ist.

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.