Helena Schulz-Mirbach und Frederik Schmidt erhalten den VAAM-Promotionspreis 2026 

Für ihre Forschungen in den Bereichen synthetische Biologie, Biochemie und Mikrobiologie erhalten zwei Mitarbeitende des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg den mit 2.000 Euro dotierten VAAM-Promotionspreis 2026 der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Die ausgezeichneten Forschungsarbeiten widmen sich der Nutzung des klimaschädlichen CO₂ als Wertstoff, sowie der direkten Verfügbarkeit von Stickstoffs durch die Realisierung neuartiger Biokatalysatoren und Stoffwechselwege.
 

Mikroben stehen im Zentrum globaler Stoffkreisläufe, da sie mit Ihrem Stoffwechsel die atmosphärischen Gase Stickstoff (N₂) und CO₂ biologisch überhaupt erst nutzbar machen. Die gezielte Beeinflussung ihrer Enzyme, die als Katalysatoren biochemischer Reaktionen wirken, könnte künftig umweltfreundlichere Produktionswege für diese unverzichtbaren Elemente eröffnen. Für ihre Pionierarbeiten auf diesem Gebiet hat die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) Helena Schulz-Mirbach und Frederik Schmidt mit dem Promotionspreis 2026 ausgezeichnet.

Für die Nutzung eines Enzyms in innovativen Bioproduktionsprozessen ist ein genaues Verständnis der Funktionsprinzipien und des Reaktionsmechanismus wichtig. Hier setzt die Promotionsarbeit von Frederik Schmidt an. „Nitrogenasen sind die einzigen Enzyme, die molekularen Stickstoff aus der Luft fixieren und in bioverfügbares Ammonium umwandeln können“, erläutert er. Thema seiner Doktorarbeit im Team von Dr. Johannes Rebelein war die Funktionsweise der sogenannten Eisen-Nitrogenase. Dieses Enzym zeichnet sich neben der N₂-Fixierung durch eine ausgeprägte Aktivität bei der Umwandlung von CO₂ aus.

Um diese Fähigkeit zu untersuchen, isolierte Frederik Schmidt das Enzym aus dem Bakterium Rhodobacter capsulatus und analysierte die konkurrierende Umwandlung von Stickstoff und CO₂ im Reagenzglas. Gemeinsam mit Niels Oehlmann, Marcello Herzog und Annelise Goldmann gelang ihm der erstmalige Nachweis, dass die Eisen-Nitrogenase CO₂ auch unter normalen Luftdruck- und Temperaturbedingungen effizient umwandelt. Die entstandenen Produkte eignen sich als Ausgangsstoffe für die Herstellung verschiedener Grundchemikalien und Biokraftstoffe. „Frederik Schmidts herausragende biochemischen und strukturbiologischen Studien liefern entscheidende Grundlagen, um die CO₂-Umwandlung durch Nitrogenasen gezielt zu optimieren. Damit eröffnen sie neue Perspektiven für nachhaltige Verfahren in der Biotechnologie“, sagt sein Betreuer Johannes Rebelein.

Die Fixierung des Treibhausgases CO₂ ist auch Gegenstand der Forschung von Helena Schulz-Mirbach. Da das Kernenzym der natürlichen CO₂-Fixierung, Rubisco, langsam und unspezifisch arbeitet, wird CO₂ nicht so effizient gebunden wie theoretisch möglich. Synthetische Biologinnen und Biologen arbeiten an der Entdeckung und Entwicklung neuer Enzyme sowie künstlicher Reaktionssequenzen zur CO₂-Umwandlung. Im Reagenzglas ist dies bereits gelungen. Für eine künftige nachhaltige biotechnologische Anwendung, beispielsweise in Fermentern, sind jedoch lebende Bakterien wie das Modellorganismus Escherichia coli erforderlich.

Helena Schulz-Mirbach entwickelte in ihrer Promotionsarbeit Strategien und Werkzeuge, um künstliche CO₂-Fixierungswege in der komplexen Umgebung der lebenden Zelle zu etablieren. Dazu konstruierte sie Bakterienstämme, deren Wachstum an die gewünschten Reaktionskaskaden gekoppelt sind. Aus hunderten Enzymen und Stoff­wechsel­wegen, die sie teste, isolierte sie verbesserte Varianten. „Ich etablierte dazu MEVIS - ein intelligentes System, das mithilfe von Maschinellem Lernen (ML) und Robotik den langwierigen Prozess der Entwicklung, Selektion und Implementierung von Eigenschaften erheblich verkürzt“, erklärt die Forscherin. Zusammen mit Philipp Wichmann und Ari Satanowski gelang es ihr, ein neues Enzym zu entwickeln, das künftig für CO₂-Fixierung und Bioplastikproduktion relevant sein könnte. „Helena Schulz-Mirbach ist eine Pionierin der synthetischen Biologie, indem sie die Entwicklung neuer biotechnologischer Prozesse durch eine elegante Kombination von Hochdurchsatzexperimenten und maschinellem Lernen revolutioniert“, so Tobias Erb, in dessen Team Helena Schulz-Mirbach ihre Promotionsarbeit anfertigte.  

Helena Schulz-Mirbach setzt ihre Arbeiten derzeit an der Stanford University in der Gruppe von Prof. Mike Jewett fort. Ihr Ziel ist, die Erkenntnisse Ihrer Doktorarbeit mit extrazellulären Ansätzen zu kombinieren. Frederik Schmidt wird ab Mai 2026 seine Forschung an der Universität Bern in der Gruppe von Prof. Rebecca Buller fortführen, um neue Erkenntnisse in die praktische Anwendung von Enzymen in biokatalytischen Prozessen zu gewinnen.