Das Umwandeln von umweltschädlichem Kohlenstoffdioxid (CO2) und dessen Verwendung in der nachhaltigen Wertschöpfung ist eine der wichtigsten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Aufgrund der Eigenschaften des Treibhausgases ist die Handhabung und die Rückführung in hochwertige Produkte problematisch. Durch die Reaktion von CO2 mit umweltfreundlichem Wasserstoff (H2) oder durch direkte Elektrolyse, können die C1‑Bausteine Methanol, Formaldehyd und Ameisensäure/Formiat hergestellt werden. Diese sind flüssig und können als stabiles chemisches Zwischenlager für die aus H2 generierte Energie gesehen werden. Daher warb der Nobelpreisgewinner George Olah für eine Gesellschaft, in der Formiat und Methanol die fossilen Brennstoffe in der Energiegewinnung ablösen.
C1-Bausteine können zudem für die Generierung von Biomasse durch formatrophe und methylotrophe Organismen verwendet werden. Leider sind weder die bisher vorhandenen genetischen Methoden, noch die metabolische Effizienz natürlicher methylotropher Organismen (wie Methylobacterium extorquens) ausreichend, um technische Anwendungen zu ermöglichen. Auch synthetische Formatrophe und Methylotrophe können nicht mit der metabolischen Effizienz der herkömmlichen Modellorganismen mithalten.
In diesem Projekt soll ein modifizierter Escherichia coli-Stamm hergestellt werden, in den, durch eine Formiat-Tetrahydrofolat Ligase, Formiat in den C1-Tetrahydrofolat (H4F)-Pool eingespeist werden kann. Aus dem C1-H4F‑Metabolismus soll eine Methylgruppe generiert werden, die über S-Adenosyl-l-Methionin (SAM)-abhängige Methyltransferasen (MT) auf unterschiedliche Moleküle übertragen werden kann. Durch die Optimierung des metabolischen Flusses des C1-H4F Pools und der intrazellulären SAM Regeneration soll der Transfer der Methylgruppe begünstigt werden. Somit kann zu Formiat reduziertes CO2 verwendet werden, um hochwertige Chemikalien zu generieren oder Arzneistoffe zu modifizieren. Um das effiziente Wachstum des Stammes zu gewährleisten, werden für den Rest des Metabolismus konventionelle Kohlenstoffbausteine verwendet.
Die in vivo Methylierung über Formiat soll dabei flexibel und skalierbar konzipiert werden, so dass unterschiedliche MT (so auch radical SAM MT) verwendbar sind und industrielle Maßstäbe erreicht werden können. Aktuell verwendete chemische Methylierungsstrategien beruhen auf umwelttoxischen Substanzen wie Methyliodid. Dabei ist die Regio- und Stereoselektivität nur schwer durch Schutzgruppenchemie steuerbar. SAM abhängige MT können dahingegen Substrate spezifisch methylieren und somit ihre chemischen und pharmakologischen Eigenschaften gezielt verändern. Diese Methodik findet aufgrund der Instabilität und des verhältnismäßig hohen Preises von SAM, sowie der Instabilität von vor allem radical SAM MT, heutzutage noch kaum Anwendung.
Wenn dieses Projekt gelingt kann CO2 in Form von Formiat in hochwertige Substanzen umgewandelt werden, der Gebrauch von umweltschädlichen Methylierungsreagenzien verringert und die Verwendung von SAM-abhängigen MT in großen Maßstäben ermöglicht werden.