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Seit Jahren arbeiten Forschende daran, das Treibhausgas Kohlendioxid mithilfe von Bakterien als Rohstoff für die chemische Industrie nutzbar zu machen. Im Rahmen des Exzellenzclusters Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat) konnten Berliner Forschende erstmals den molekularen Mechanismus aufklären, mit dem Bakterien Kohlendioxid (CO₂) effizient in Kohlenmonoxid (CO) umwandeln. Damit ist dem Team um Christian Lorent von der TU Berlin eigenen Angaben nach ein Durchbruch in der Katalyse-Forschung gelungen. Er könnte neue Perspektiven bei der Entwicklung bioinspirierter Katalysatoren und damit für Klimaschutz und grüne Chemie eröffnen.

Reaktionsprozess auf atomarer Ebene sichtbar gemacht

Die im Fachjournal Nature Catalysis veröffentlichte Studie zeigt erstmals alle katalytisch relevanten Zustände des nickelhaltigen Enzyms Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) in atomarer Auflösung. Den Forschenden zufolge ist der Nickel-Eisen-Komplex tief im Inneren des Enzyms verborgen. Welche Funktion er hat, war bisher unklar. Mit modernsten Methoden wie Röntgenkristallografie, Infrarot- und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie gelang es nun, sämtliche Zwischenstufen des Reaktionsprozesses lückenlos sichtbar zu machen.

„Bakterien nutzen diese Dehydrogenase als biologischen Katalysator, der die Umwandlung von CO₂ in CO genauso wie die umgekehrte Reaktion möglich macht“, erklärt Lorent. Demnach kann sich das dabei gebildete, reaktionsfreudigere CO-Molekül mit anderen Stoffen zu Substanzen verbinden, die nützlich für den Stoffwechsel des Bakteriums sind. „Wird das Kohlenmonoxid dagegen zu Kohlendioxid verbrannt, wird Energie frei, die das Bakterium nutzen kann“, so Lorent. Für diese Reaktionen würden ein Nickel- und ein Eisenatom die Gasmoleküle quasi in die Zange nehmen. Im Weiteren übernimmt das Nickel-Ion demnach jeweils die Bindung der beiden Moleküle und fügt Elektronen in das CO₂-Molekül ein oder nimmt sie vom CO auf.

Bauplan für die Entwicklung neuartiger Katalysatoren

„Es ist faszinierend, dass wir diesen ausgeklügelten Prozess, den die Evolution in mehreren Milliarden Jahren optimiert hat, nun ganz genau beobachten können“, so Lorent. Die Studie gibt nicht nur grundlegende Einblicke in den biologischen Prozess der bakteriellen Umwandlung von CO₂ in CO. Sie liefert auch einen Bauplan für die Entwicklung neuartiger Katalysatoren. Solche bioinspirierten Systeme könnten den Forschenden zufolge künftig CO₂ „selektiv und hocheffizient“ in wertvolle Grundstoffe für die chemische Industrie umwandeln, die für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe und für den Übergang zu einer CO₂-neutralen Wirtschaft wichtig sind. 

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For years, researchers have been working on using bacteria to convert the greenhouse gas carbon dioxide into a raw material for the chemical industry. As part of the Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat) Cluster of Excellence, researchers in Berlin have now succeeded in elucidating the molecular mechanism by which bacteria efficiently convert carbon dioxide (CO₂) into carbon monoxide (CO) for the first time. According to Christian Lorent's team at TU Berlin, this represents a breakthrough in catalysis research. It could open up new perspectives in the development of bio-inspired catalysts and thus for climate protection and green chemistry.

Reaction process made visible at the atomic level

The study, published in the journal Nature Catalysis, shows for the first time all catalytically relevant states of the nickel-containing enzyme carbon monoxide dehydrogenase (CODH) in atomic resolution. According to the researchers, the nickel-iron complex is hidden deep inside the enzyme. Its function was previously unclear. Using state-of-the-art methods such as X-ray crystallography, infrared and electron spin resonance spectroscopy, it has now been possible to visualise all the intermediate stages of the reaction process without gaps.

‘Bacteria use this dehydrogenase as a biological catalyst that enables the conversion of CO₂ into CO as well as the reverse reaction,’ explains Lorent. Accordingly, the more reactive CO molecule produced in this process can combine with other substances to form compounds that are useful for the bacteria’s metabolism. ‘If, on the other hand, the carbon monoxide is burned to form carbon dioxide, energy is released that the bacterium can use,’ says Lorent. For these reactions, a nickel and an iron atom would essentially clamp the gas molecules in place. The nickel ion then binds the two molecules and either adds electrons to the CO₂ molecule or takes them from the CO.

Blueprint for the development of novel catalysts

‘It is fascinating that we can now observe this sophisticated process, which evolution has optimised over several billion years, in great detail,’ says Lorent. The study not only provides fundamental insights into the biological process of bacterial conversion of CO₂ into CO. It also provides a blueprint for the development of novel catalysts. According to the researchers, such bio-inspired systems could in the future convert CO₂ ‘selectively and highly efficiently’ into valuable raw materials for the chemical industry, which are important for the production of synthetic fuels and for the transition to a CO₂-neutral economy.

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Verbraucher achten zunehmend auf natürliche Inhaltsstoffe in Lebensmitteln und Getränken. Dieser Trend veranlasst Hersteller, vermehrt naturbasierte Rezepturen einzusetzen. Das in Zwingenberg ansässige Biotechnologie-Unternehmen BRAIN Biotech hat nun eine Kooperation mit dem auf natürliche Inhaltsstoffe spezialisierten niederländischen Unternehmen Corbion vereinbart.  Ziel der Zusammenarbeit ist es, die Entwicklung neuartiger biobasierter antimikrobieller Verbindungen und deren Derivate für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie voranzutreiben.

Einsatz nachhaltiger, biobasierter Lösungen intensivieren

„Wir freuen uns sehr über die Partnerschaft mit Corbion, mit der wir die Einsatzmöglichkeiten nachhaltiger, biobasierter Lösungen intensivieren und auf eine breitere Basis stellen möchten“, sagt Martin Langer, Geschäftsführer und Executive Vice President der BRAIN Biotech AG. Das auf Spezialenzyme fokussierte Unternehmen rechnet damit, dass von dieser Kooperation „Lebensmittelhersteller weltweit profitieren werden“.

Biobasierte Konservierungstechnologien vorantreiben

Die BRAIN Biotech wird ihr Know-how in den Bereichen Spezialenzym-Technologie, Entwicklung mikrobieller Stämme und Bioprozessentwicklung in die Partnerschaft einbringen. Darüber hinaus agiert das Zwingenberger Unternehmen als Technologie-Lizenzgeber. „Diese Zusammenarbeit wird Corbions Bestrebungen beschleunigen, Herstellern von Lebensmitteln Konservierungsmöglichkeiten anzubieten, die auch bei Verbrauchern Anklang finden, die Lebensmittel auf Basis natürlicher Inhaltsstoffe suchen“, heißt in einer gemeinsamen Erklärung der Unternehmen.

Die in Amsterdam ansässige Corbion ist spezialisiert auf die Entwicklung nachhaltiger Inhaltsstoffe für verschiedene Bereiche – darunter für die Lebensmittelindustrie. Die Niederländer werden die Partnerschaft mit ihren Kenntnissen über Lebensmittelsysteme und biobasierte Konservierungstechnologien, aber auch mit ihrer umfassende Kunden- und Branchenexpertise sowie Kompetenzen in den Bereichen Pilotierung und Scale-up unterstützen. „Wir glauben, dass diese Art der Zusammenarbeit uns dabei helfen wird, die nächsten bahnbrechenden Innovationen schneller auf den Markt zu bringen“, so Domenico Vulcano, Vizepräsident für globale Innovation bei Corbion.

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Consumers are increasingly paying attention to natural ingredients in food and beverages. This trend is prompting manufacturers to use more nature-based recipes. The Zwingenberg-based biotechnology company BRAIN Biotech has now agreed to collaborate with Corbion, a Dutch company specialising in natural ingredients. The aim of the collaboration is to advance the development of novel bio-based antimicrobial compounds and their derivatives for use in the food industry.

Intensifying the use of sustainable, bio-based solutions

‘We are very pleased about the partnership with Corbion, with which we aim to intensify the possible applications of sustainable, bio-based solutions and put them on a broader footing,’ says Martin Langer, Managing Director and Executive Vice President of BRAIN Biotech AG. The company, which focuses on speciality enzymes, expects that ‘food manufacturers worldwide will benefit’ from this cooperation.

Advancing bio-based preservation technologies

BRAIN Biotech will contribute its expertise in the areas of special enzyme technology, microbial strain development and bioprocess development to the partnership. In addition, the Zwingenberg-based company will act as a technology licensor. ‘This collaboration will accelerate Corbion's efforts to offer food manufacturers preservation options that also appeal to consumers who are looking for foods based on natural ingredients,’ according to a joint statement by the companies.

Amsterdam-based Corbion specialises in the development of sustainable ingredients for various sectors, including the food industry. The Dutch company will support the partnership with its knowledge of food systems and bio-based preservation technologies, as well as its extensive customer and industry expertise and skills in piloting and scale-up. ‘We believe that this type of collaboration will help us bring the next groundbreaking innovations to market faster,’ said Domenico Vulcano, Vice President of Global Innovation at Corbion.

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