Das Tandemprojekt CORENZ befasste sich mit der Herausforderung, die Regeneration von Cofaktoren in biokatalytische Systeme für nachhaltige industrielle Prozesse zu integrieren, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der CO₂-Fixierung lag. Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt CASCOO, das zeigte, dass natürlich vorkommende Decarboxylasen umgekehrt arbeiten können, um CO₂ zu fixieren, versuchte CORENZ, geschlossene Prozesse zu entwickeln, die die verbrauchten Cofaktoren NAD(P)H und ATP regenerieren. Im Mittelpunkt des experimentellen Systems stand die Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase (PFOR) von Desulfocurvibacter africanus, ein Enzym, das die reversible Reaktion CO₂ + 2 H⁺ + 2 Ferredoxin_rot + Acetyl-CoA ↔ Pyruvat + 2 Ferredoxin_ox + CoA katalysiert. In CASCOO haben die Gleichgewichtskonstante (K′ = 2,2 × 10-⁴) und ΔG = 20,9 ± 13,1 kJ mol-¹ die Reaktion weit nach links verschoben und damit die Decarboxylierung begünstigt. CORENZ führte zwei wichtige Änderungen ein, um das Gleichgewicht in Richtung Fixierung zu verschieben. Erstens hielt ein vorgelagertes photochemisches Modul das Ferredoxin in einem reduzierten Zustand, indem es ein Deazaflavin/EDTA-System beleuchtete, während ein nachgelagertes Modul kontinuierlich Pyruvat durch Derivatisierung mit Semicarbazid entfernte und Pyruvat-Semicarbazon bildete. Zweitens wurde das native Ferredoxin durch eine Variante mit niedrigem Potential (Fdx_ctep) aus Chlorobaculum tepidum ersetzt, dessen Standard-Redoxpotential (E₀′ = -584 mV) wesentlich negativer ist als das native -385 mV, wodurch eine stärkere Triebkraft für die Reduktion entsteht. Diese Eingriffe ermöglichten eine messbare CO₂-Fixierung in vitro, obwohl die Versuche aufgrund der begrenzten Halbwertszeit des Enzyms auf eine maximale Dauer von zwei Stunden beschränkt waren. Systematische Studien zur Enzymstabilität zeigten, dass die Aktivität mit der Zeit abnimmt, was eine kontinuierliche Produktion von frischem Enzym, Ferredoxin und Chloroplastenpräparaten erforderlich machte. Die Reproduzierbarkeit wurde auch durch Schwankungen in der Reinheit und Aktivität der Ausgangsstoffe beeinträchtigt, was die Notwendigkeit einer strengeren Prozesskontrolle unterstreicht.
Der wissenschaftliche Beitrag des Projekts geht über die unmittelbaren biochemischen Erkenntnisse hinaus. Durch die Integration der am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme durchgeführten kinetischen Modellierung mit experimentellen Daten des Instituts für Angewandte Biotechnologie der Hochschule Biberach gewann das Team Einblicke in das dynamische Verhalten des Enzymsystems und identifizierte Optimierungsziele. Die Modellierung machte deutlich, wie wichtig die Umsatzraten der Cofaktoren sind, und deutete darauf hin, dass die Immobilisierung von Enzymen in großvolumigen Reaktoren die Stabilität verbessern könnte. Dabei wurden Parallelen zu industriellen Prozessen gezogen, wie z.B. Glukose-Isomerase, die in Festbettreaktoren mit 1800 kg Reaktor-¹ und Verweilzeiten von bis zu 687 Tagen immobilisiert ist. Die Extrapolation der CORENZ-Ergebnisse auf solche Größenordnungen deutet auf potenzielle CO₂-Umwandlungsraten von 302,4 kg CO₂ pro Verweilzeit (aus einem Datensatz) bzw. 95,5 kg CO₂ pro Verweilzeit (aus einem anderen) hin, was darauf hindeutet, dass ein weiteres Scale-up den Ansatz industriell nutzbar machen könnte.
CORENZ war ein Tandemprojekt mit zwei Partnern: dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg (Projektleiter Dr. Steffen Klamt) und dem Institut für Angewandte Biotechnologie der Hochschule Biberach (Projektleiter und Koordinator Dr. Hartmut Grammel). Die Partnerschaft kombinierte Fachwissen in mathematischer Modellierung und angewandter Mikrobiologie. Das Projekt lief von April 2018 bis Januar 2023, mit regelmäßigen Online-Meetings über MS Teams, Gruppenseminaren in Biberach und Datenaustausch zwischen den beiden Standorten. Das Institut für Angewandte Biotechnologie stellte die notwendige Infrastruktur zur Verfügung, einschließlich der Bioreaktorkultivierung, der Proteinreinigung durch IMAC und der quantitativen Metabolitenanalyse mit einem LTQ XL Linear Ion Trap Massenspektrometer. Die Finanzierung erfolgte über öffentlich finanzierte Forschungsprogramme, so dass das Projekt zu dem übergeordneten Ziel beitragen konnte, bioinspirierte CO₂-Recyclingwege zu etablieren und die Grundlage für künftige Demonstrationen im Pilotmaßstab und metabolisches Engineering von CO₂-verwertenden Bakterien zu schaffen.