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

Einen ambitionierten Ansatz, um CO2 mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen zu Chemikalien umzusetzen, verfolgt das Projekt »eBioCO2n«, das gemeinsam von Fraunhofer- und Max-Planck-Wissenschaftlern bearbeitet wird: CO2 soll – ähnlich wie in der Fotosynthese – mithilfe elektronenübertragender Biokatalysatoren fixiert und dann mit weiteren enzymatischen Umsetzungsschritten verknüpft werden.

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. Als CO2‑fixierende Biokatalysatoren kommen erst kürzlich entdeckte Redoxenzyme zum Einsatz, die Enoyl‑CoA‑Carboxylasen/Reduktasen (ECRs). Sie gehören zu den effizientesten CO2‑umwandelnden Biokatalysatoren, die bisher beschrieben wurden.

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.

Publikation

In der, im Rahmen des Projekts entstandenen, Publikation wird aufgezeigt, wie in einem bioelektrokatalytischen Ansatz ein Modul zum NADPH-Recycling sowie ein Modul zur C-C-Bindungsknüpfung gemeinsam in einem Redox-Hydrogel auf Viologenbasis immobilisiert wird. Der Ansatz ermöglichte den regio- und stereoselektiven Einbau von CO2 in Crotonyl-CoA und lieferte das komplexeste Produkt, das bisher in der bioelektrokatalytischen CO2-Konversion bekannt ist.

Leonardo Castañeda-Losada, David Adam, Nicole Paczia, Darren Buesen, Fabian Steffler, Volker Sieber, Tobias J. Erb, Michael Richter, Nicolas Plumeré (2021) Bioelectrocatalytic Cofactor Regeneration Coupled to CO2 Fixation in a Redox-Active Hydrogel for Stereoselective C−C Bond Formation; Angewandte Chemie International Edition 2021, 60, 2–8; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103634