Abteilung Biochemie und Synthetischer Metabolismus

Mission unseres Departments: Neue Biologie für eine zukünftig nachhaltige Welt

Obwohl sie für unser Auge unsichtbar sind, spielen Mikroorganismen eine Schlüsselrolle für unser Klima. Mikroben binden pro Jahr mehr als 120 Milliarden Tonnen des Treibhausgases CO₂, das ist ein Drittel des jährlichen CO₂-Kreislaufs unseres Planeten. Mikroorganismen binden CO₂ in Form von Biomasse, die als Nahrung, Rohstoff oder Energieträger für alles Leben auf der Erde dient. Dies macht Mikroben zu echten „Stoffwechsel-Weltmeistern", die das Potenzial haben, neue Lösungen für eine nachhaltige Welt der Zukunft bereitzustellen.

Die Mission des Departments für Biochemie und Synthetische Biologie ist es, die grundlegenden Prinzipien mikrobieller Kohlenstoff-Umwandlung zu verstehen. Über das reine Verständnis hinaus wollen wir unser Wissen nutzen, um neuartige Biokatalysatoren und Prozesse für eine verbesserte Bindung von Kohlenstoff zu entwickeln, die die Natur (noch) nicht hervorgebracht hat. Dies wird es uns in Zukunft ermöglichen, neue biologische und bioinspirierte Verfahren zum Umwandlung von CO₂ zu realisieren, wie etwa eine künstliche Photosynthese oder synthetische Chloroplasten.

Zentrale Fragen & Methoden

Aktuell dreht sich unsere Forschung um die folgenden Fragen:

Wie binden Mikroben CO₂? Zu diesem Zweck untersuchen wir die entsprechenden Biokatalysatoren auf molekularer, zellulärer und ökologischer Ebene (d. h. wir untersuchen die natürliche "metabolische Software" der CO₂-Fixierung).
Wie hat die Natur diese CO₂-Umwandlungs-Prozesse entwickelt, und welche Möglichkeiten hat die Natur verpasst? Zu diesem Zweck lassen wir Milliarden Jahre alte Vorfahren dieser Enzyme wieder aufleben. In einem ergänzenden Ansatz nutzen wir die synthetische Biologie, um völlig neue Alternativen für die CO₂-Fixierung zu entwerfen, die besser sind als die natürlich entstandenen (d. h. wir entwickeln eine neue "metabolische Software" für die Kohlenstoff-Fixierung).
Wie können wir neue Lösungen zur CO₂-Umwandlung in lebenden Zellen implementieren und betreiben? Zu diesem Zweck entwickeln wir neue Methoden, um verschiedene Mikroorganismen, photosynthetische Algen und sogar Pflanzen für eine verbesserte CO₂-Aufnahme zu konstruieren und weiterzuentwickeln (d. h. die "metabolische Software" in lebenden Zellen zu starten).
Wie konstruieren wir neue Möglichkeiten für bioinspirierte CO₂-Umwandlung außerhalb von lebenden Zellen? Zu diesem Zweck bauen wir in vitro-Stoffwechselnetzwerke, künstliche Chloroplasten und Minimalzellen für die CO₂-Aufnahme auf (d. h. wir entwickeln eine "neue zelluläre Hardware" für den Betrieb unserer "Stoffwechsel-Software") und versorgen sie mit neuen Energiequellen, z. B. Elektrizität.

Um diese Fragen zu beantworten, verwenden wir einen sehr inter- und transdisziplinären Ansatz und eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden, darunter Proteinbiochemie, Molekular- und Strukturbiologie, NMR- und UV/Vis-Spektroskopie, Stoffwechsel- und Gentechnik, experimentelle Evolution und Laborautomatisierung, Metabolomik, Transkriptomik und Proteomik, synthetische Biologie, in vitro-Transkription, Mikrofluidik und maschinelles Lernen.

Kollaborationen & Outreach

Eingebettet in ein Netz von Kooperationen arbeiten wir eng mit Forschenden anderer Einrichtungen zusammen, zum Beispiel in Frankreich, der Schweiz, den Niederlanden, Israel, Chile und den USA. Neben der Grundlagenforschung arbeiten wir auch mit Partnern aus der Industrie zusammen, von Start-ups und KMU bis hin zu globalen Konzernen.

Wichtig für uns ist, dass Wissenschaft nicht an der Labortür aufhört, sondern dass wir uns auch stark für den Wissenstransfer und die Öffentlichkeitsarbeit engagieren. Gemeinsam mit der MPG haben wir Materialien für den Unterricht entwickelt (Biomax Künstliche Fotosynthese), arbeiten mit dem Green Science Lab und Kindergärten zusammen und bieten "meet-a-scientist"-Möglichkeiten.