Aktuelle Veranstaltungen

Die Biopioniere sind Vorreiter auf dem Gebiet des biobasierten und nachhaltigen Wirtschaftens. Sie arbeiten zum Beispiel als Landwirte, Forschende, Ingenieure, Designer in den Life Sciences, in der Nahrungsmittel-, Baustoff- oder Modeindustrie. Die Biopioniere haben auf ihrem Gebiet Bahnbrechendes geleistet, oder sind dabei dieses zu tun. Sie sind Zeugen eines Umdenkprozesses.

Biopioniere visionieren genauso neue biobasierte Produkte wie sie Verhaltensänderungen auf Seiten der Konsumenten fordern. Ihre Kreativität und ihr gesellschaftliches Engagement stellen sie in den Dienst des Kreislaufdenkens. Die Natur wird genutzt, erhalten und geschützt, als Quelle für ein gesundes Leben dieser und künftiger Generationen. Die Porträt-Reihe „Die Biopioniere“ gewährt durch die Zusammenstellung herausragender Protagonisten einen neuartigen und repräsentativen Einblick in faszinierende Arbeitswelten.

Anaerobic microorganisms are among the oldest living organisms on earth. As oxygen is life-threatening for them, they have developed special metabolic pathways that enable them to survive in oxygen-free regions such as the human gut or volcanic swamps. The ability to bind carbon is also particularly efficient in anaerobic microorganisms. The enzyme complex carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase (CODH/ACS) plays an important role here.

Catalytic cycle of the enzyme complex elucidated

Researchers from the University of Potsdam and Humboldt-Universität zu Berlin have now elucidated the catalytic cycle of the enzyme complex for the first time using high-resolution cryo-electron microscopy (cryo-EM). ‘The efficiency of this reaction makes CODH/ACS a promising enzyme candidate for biofuel production from carbon dioxide,’ the team writes in the journal ‘Nature Catalysis’.

Enzyme complex determines reaction sequence

The investigation using the cryo-EM method revealed that the enzyme complex moves in the course of chemical reactions and thus determines the reaction sequence. ‘Our cryo-EM maps of six intermediate states of CODH/ACS are so highly resolved that the molecules bound to the metal centre can be clearly correlated with the movements of the protein,’ reports Jakob Ruickoldt, first author of the study. The catalysis of this enzyme complex is therefore based on various nickel-iron metal clusters that convert carbon dioxide into the biomolecule acetyl coenzyme A in several steps. Acetyl-CoA plays a key role in metabolism and is the starting material for various biosyntheses.

Potential for biotechnological carbon fixation

"By using this method, we have discovered how the binding of the different molecules prepares the active centre for the next reaction step and thus prevents side reactions and the loss of valuable reaction intermediates. This knowledge will help to utilise the catalysis of the ancient enzyme complex for biotechnological carbon fixation," says Petra Wendler, co-author of the study.

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Anaerobe Mikroorganismen gehören zu den ältesten Lebewesen der Erde. Da Sauerstoff für sie lebensbedrohlich ist, haben sie spezielle Stoffwechselwege entwickelt, die ihnen ein Überleben in sauerstofffreien Regionen wie im menschlichen Darm oder in vulkanischen Sümpfen ermöglicht. Auch die Fähigkeit, Kohlenstoff zu binden, ist bei anaeroben Mikroorganismen besonders effizient. Hierbei spielt der Enzymkomplex Kohlenmonoxid-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS) eine wichtige Rolle.

Katalytischer Zyklus des Enzymkomplexes aufgeklärt

Forschende der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun erstmals mithilfe hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) den katalytischen Zyklus des Enzymkomplexes aufgeklärt. „Die Effizienz dieser Reaktion macht die CODH/ACS zu einem vielversprechenden Enzymkandidaten für die Biokraftstoffproduktion aus Kohlendioxid“, schreibt das Team im Fachjournal „Nature Catalysis“.

Enzymkomplex bestimmt Reaktionsfolge

Die Untersuchung mittels Kryo-EM-Methode ergab, dass sich der Enzymkomplex im Verlauf chemischer Reaktionen bewegt und so die Reaktionsfolge bestimmt. „Unsere Kryo-EM-Karten von sechs Zwischenzuständen der CODH/ACS sind so hoch aufgelöst, dass die an das Metallzentrum gebundenen Moleküle eindeutig mit den Bewegungen des Proteins korreliert werden können“, berichtet Jakob Ruickoldt, Erstautor der Studie. Die Katalyse dieses Enzymkomplexes basiert demnach auf verschiedenen Nickel-Eisen-Metallclustern, die Kohlendioxid in mehreren Schritten in das Biomolekül Acetyl-Coenzym A umwandeln. Acetyl-CoA spielt eine Schlüsselrolle beim Stoffwechsel und ist Ausgangsstoff für verschiedene Biosynthesen.

Potenzial für biotechnologische Kohlenstofffixierung 

„Durch den Einsatz dieser Methode haben wir herausgefunden, wie die Bindung der verschiedenen Moleküle das aktive Zentrum für den nächsten Reaktionsschritt vorbereitet und so Nebenreaktionen und den Verlust von wertvollen Reaktionszwischenstufen verhindert. Dieses Wissen wird helfen, die Katalyse des uralten Enzymkomplexes für die biotechnologische Kohlenstofffixierung zu nutzen“, sagt Petra Wendler, Mitautorin der Studie.

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Rund ein Drittel der weltweiten Treibhausgasemissionen entstehen durch die Art und Weise, wie Land bewirtschaftet wird und Lebensmittel produziert werden. Vor allem der Fleischkonsum und die damit verbundene Tierhaltung tragen zu den klimaschädlichen Emissionen bei und erfordern einen Wandel der Ernährungs- und Agrarsysteme. Pflanzenbasierte und biotechnologische Alternativen zu Fleisch, Milch und Co. können dazu einen entscheidenden Beitrag leisten.

Innovationen gezielt fördern

Der Wissenschaftliche Beirat für Agrarpolitik, Ernährung und gesundheitlichen Verbraucherschutz (WBAE) beim Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH) empfiehlt der Bundesregierung daher, Technologien zur Herstellung solcher Alternativprodukte gezielt zu fördern. Das Gutachten wurde am gestrigen Dienstag an Bundesminister Alois Rainer überreicht.

Das Expertengremium nahm dafür nicht nur das Potenzial pflanzlicher Alternativprodukte ins Visier. Auch biotechnologische Verfahren wie Zellkultivierung und Präzisionsfermentation und sogenannte Hybridprodukte wurden analysiert. „Sie alle können dazu beitragen, einige negative Umweltwirkungen der Nutztierhaltung zu verringern – ohne dass Menschen ihr Ernährungsverhalten grundlegend ändern“, schreibt der Beirat. Dafür brauche es allerdings sensorisch überzeugende Alternativen und deshalb auch eine gezielte Förderung von Innovationen, heißt es.

Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz

Das Gutachten verweist auf die veränderten Ernährungsstile in der Bevölkerung, die eine Herausforderung im sozialen Miteinander und im Hinblick auf einen ‚gemeinsamen Tisch‘ darstellen. „Die von uns entwickelte 3-R-Strategie – Reduce (z.B. kleinere Fleischportionen), Remix (Hybridprodukte), Replace (innovative Alternativen) – zeigt, wie vielfältig, flexibel und alltagstauglich ein reduzierter Konsum tierischer Lebensmittel aussehen kann“, so Britta Renner von der Universität Konstanz und stellvertretende Vorsitzende des WBAE. Der Beirat stellt klar, dass es nicht um eine Abschaffung der Nutztierhaltung geht, sondern darum die steigende Nachfrage nach tierischen Lebensmitteln abzufedern und so einen Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz zu leisten.

Mehrwertsteuer auf Alternativprodukte senken

Darüber hinaus spricht sich das Beratergremium dafür aus, faire Wettbewerbsbedingungen für Alternativprodukte zu schaffen und die Mehrwertsteuer von 19 % zu senken. Auch die Weiterentwicklung und Förderung des Nutri-Scores und die Einführung eines Klimalabels werden empfohlen. Alternativprodukte würden das Angebot erweitern und damit einen neuen Weg eröffnen, um Umwelt und Tiere zu schützen, das soziale Miteinander zu stärken und mehr Auswahlmöglichkeiten am gemeinsamen Tisch zu schaffen, so das Fazit des Expertengremiums.

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Hülsenfrüchte, Insekten und Algen gelten seit langem als hochwertige Proteinquellen und können tierische Eiweiße in Lebensmitteln ersetzen. Aber auch Nebenprodukte aus Landwirtschaft und Fischerei sowie Pilze, Bakterien und Mikroalgen erzeugen natürliche Proteine. Im EU-Projekt IMPROVE wollen Forschende aus insgesamt 13 Ländern diese sogenannten Novel Protein Foods nutzen, um neuartige eiweißhaltige Lebensmittel zu entwickeln, sie zu analysieren und ihre Auswirkungen auf Umwelt, Gesundheit und Wirtschaft zu bewerten.

Gesamte Wertschöpfungskette im Blick

Bei der Entwicklung der Lebensmittel aus den eher unkonventionellen Proteinquellen nehmen die Forschenden die gesamte Wertschöpfungskette in den Blick – von der Gewinnung und Modifikation der proteinreichen Rohstoffe über ihre sensorische und funktionelle Optimierung bis hin zur Anwendung als Lebens- und Futtermittel für die Aquakultur. Ein Schwerpunkt ist dabei die nachhaltige Nutzung aller Nebenprodukte, die entlang der Prozesskette anfallen, um diese erneut in die Lebensmittelproduktion einfließen oder zur Energiegewinnung nutzen zu können.

Analyse der Eigenschaften sowie Akzeptanz

Die neuen Lebensmittel werden sowohl nach ernährungsphysiologischen, gesundheitlichen, als auch nach sicherheitsrelevanten und qualitativen Eigenschaften bewertet. Darüber hinaus werden Umwelt- und Risikoanalysen, Lebenszyklusbewertungen sowie wirtschaftliche Kalkulationen durchgeführt. Auch die Akzeptanz der neuen Produkte wird untersucht – sowohl bei Verbraucherinnen und Verbrauchern in Europa als auch in den USA, Afrika und Asien.

EU fördert Projekt mit mehr als 5 Mio. Euro 

Das im Januar 2025 gestartete Vorhaben IMPROVE wird von der Europäischen Kommission über die Exekutivagentur für die Forschung (REA) bis Ende 2027 mit rund 5,3 Mio. Euro gefördert. Die Arbeit der Hohenheimer Forschenden wird dabei mit 545.000 Euro unterstützt.

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Natürliche Proteine zeichnen sich durch ihre vielseitige Flexibilität aus. „Wir können jetzt neue Proteine erzeugen, die diese Schlüsseleigenschaft nachahmen“, sagt Ko-Autor Leif Seute vom HITS. Das Forschungsteam erweiterte dazu das bereits etablierte „Geometric Algebra Flow Matching“ (GAFL), das besonders schnell und designfähig ist, zu einem System zur gezielten Erzeugung flexibler Proteinstrukturen. Damit lassen sich nun auch Proteine mit ungewöhnlichen Flexibilitätsmustern generieren. „Diese Arbeit ist ein Schritt in Richtung des anspruchsvollen Ziels, neue Proteine für Anwendungen zu entwerfen, bei denen Flexibilität erforderlich ist – etwa bei Enzymen“, fasst Frauke Gräter vom MPIP zusammen.

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