Volltextsuche über das Angebot:

3 ° / 0 ° Schneeregen

Navigation:
Fotosynthese im Reagenzglas

Forschung Fotosynthese im Reagenzglas

Marburger Forscher ­haben eine Art künstliche Fotosynthese entwickelt: Sie könnte auch im Kampf gegen den Klimawandel zu einer effizienteren Reduzierung des schädlichen Treibhausgases Kohlendioxid beitragen.

Voriger Artikel
Zwei neue Tische – macht 8.600 Euro
Nächster Artikel
Schlägerei in der Marburger Oberstadt

Manche Enzyme wurden mithilfe von Computersimulationen maßgeschneidert.

Quelle: mediomix/MPI für terrestrische Mikrobiologie

Marburg. Nach rund zwei Jahren intensiver Arbeit im Labor des Zentrums für Synthetische Mikrobiologie kann das Team um Dr. Tobias Erb einen weltweit beachteten Erfolg vorweisen. Die Marburger Wissenschaftler haben ein von ihnen selbst entwickeltes biochemisches System im Reagenzglas in die Realität umgesetzt. Jetzt publizierten sie die Ergebnisse in „Science“.

Mithilfe einer Kombination von 17 Enzymen – darunter drei künstlichen Designer-Enzymen – entwickelten sie einen neuen, komplett biologischen Stoffwechselweg, der das schädliche Treibhausgas Kohlendioxid mit einer 20 Prozent höheren­ Effizienz bindet als bei der ­
Fotosynthese der Pflanzen. „Wir müssen neue Wege finden, um das überschüssige Kohlendioxid nachhaltig aus der Luft zu entfernen“, sagt Erb.

Vom Reißbrett in die Realität

Bis zur praktischen Umsetzung im Kampf gegen Klimawandel könnten allerdings noch einige­ Jahrzehnte vergehen, betonte­ der Marburger Forscher. Für realistischer hält Erb aber ein anderes Ziel: Mithilfe von Veränderungen des neu entwickelten synthetischen Stoffwechselwegs könnten aus dem schädlichen Treibhausgas aus der ­
Atmosphäre schließlich Rohstoffe für Biodiesel, Antibiotika­ oder viele weitere nützliche Substanzen hergestellt werden. Dabei würde das Prinzip verwendet werden, dass Kohlendioxid in organische Kohlenstoffverbindungen umgewandelt wird.

Das Team der Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg hat nach dem Vorbild der Fotosynthese einen künstlichen, aber komplett biologischen Stoffwechselweg entwickelt. Die Forscher haben das neue System, das sie jetzt im Wissenschaftsmagazin „Science“ präsentiert haben, zunächst am Reißbrett geplant – und dann im Labor in die Realität umgesetzt. Das ist nach Erbs Angaben der entscheidende Unterschied zu bisherigen Forschungsansätzen.

Auf die Idee kam Erb ( Privatfoto) noch an der Hochschule Zürich, bevor er nach Marburg wechselte. Ausgangspunkt war die Überlegung, dass bisher neben der Fotosynthese von Pflanzen auch sieben weitere ähnliche Varianten in der Natur bekannt waren.

„Wieso sollte es dann nicht möglich sein, auch eine menschengemachte Fotosynthese zu entwickeln“, fragt Erb. Das theoretische Modell dafür entwickelte er nach eigenen Angaben zusammen mit seinem Team relativ schnell innerhalb von zwei, drei Wochen. Sehr viel mehr Zeit habe er dann für das praktische Ausprobieren im Labor benötigt.

Beim Prozess der Fotosynthese fixieren die Pflanzen üblicherweise Kohlendioxid aus der Luft und produzieren dann über mehrere Schritte mithilfe von verschiedenen Enzymen im „Calvin-Zyklus“ Zucker für ihre­ Ernährung. Anstelle des Enzyms „RubisCO“, das bei der Foto­synthese für die zentrale Aufgabe der CO2-Bindung verantwortlich ist, steht bei Erb ein aus ­einem Bakterium isoliertes Enzym mit dem Namen „Crotonyl-CoA Caeboxylase/Reductase“ im Mittelpunkt, das deutlich schneller und effektiver als ­„RubisCO“, bei der pflanzlichen Fotosynthese ist.

Bakterien in der Hauptrolle

Prinzipiell ging es den Forschern dann darum, einen neuen Enzym-Zyklus zu entwerfen, der CO2 in organische Kohlenstoffverbindungen umwandeln konnte. Das Problem war: Das Bakterium-Enzym kann nicht ohne Weiteres mit den Enzymen aus der pflanzlichen ­Fotosynthese zusammenarbeiten. So mussten neue Kandidaten gefunden werden: Aus einer Datenbank von rund 40.000 Enzymen testeten die Forscher 70 und identifizierten dann die am besten geeigneten Enzyme. Am Ende stand schließlich ein künstlicher CO2-fixierender Zyklus – etwas, das in dieser Art nach Erbs Wissen „noch niemand geschafft haben dürfte.“

Beteiligt sind 17 verschiedene­ Enzyme, darunter drei „Designer-Enzyme“, aus neun verschiedenen Organismen – beispielsweise aus dem Darmbakterium E. coli, der Gänserauke (Arabidopsis thaliana), aus einem Meeresbakterium und aus der menschlichen Leber.

Sämtliche Enzyme wurden in einem Reagenzglas zu einem „robust funktionierenden, optimierten Zyklus“ zusammengefügt, dem „CETCH-Zyklus“. Dabei haben die Forscher immer wieder neue oft gentechnisch veränderte Biokatalysatoren getestet und probierten neue Kombinationen von Enzymen aus, um das System zu finden, indem die Komponenten optimal zusammenarbeiten. Erbs Modell-Zyklus zieht seine Energie derzeit aus einer chemischen Reaktion und nicht aus Licht wie bei der Fotosynthese der Pflanzen. Und als Resultat steht am Ende Glyoxalsäure. Für die praktische Anwendung könnten die für den Zyklus notwendigen Gene in ein Bakterium oder eine Alge verfrachtet werden.

Förderung auch durch US-Energieministerium

Diese veränderten Mikroorganismen würden dann das jeweils gewünschte Produkt herstellen – und könnten dazu einfach das CO2 aus der Atmosphäre verwenden, so jedenfalls die Theorie. Sie würden das atmosphärische Treibhausgas also nutzbringend umwandeln.

Für sehr vielversprechend hält Tobias Erb die Chance, dass mithilfe des jetzt im Labor entwickelten neuen Stoffwechselwegs das bisher vor allem wegen seiner schädlichen Auswirkungen auf den Klimawandel bekannte­ Kohlendioxid zu einer Kohlenstoff-Quelle werden könnte.­ „Bisher sind viele industrielle­ Anwendungen Erdöl-basiert“, macht Erb deutlich. Das könne sich ändern, wenn die neuen biochemischen Methoden in die Praxis umgesetzt werden könnten.

Der nächste Schritt auf dem Weg zur praktischen Anwendung wäre jetzt, den Enzym-Zyklus aus dem Reagenzglas in Bakterien und Algen einzupflanzen. An den neuen Möglichkeiten aus der Schnittstelle zwischen Biologie und Chemie sind auch potenzielle Partner aus der Industrie interessiert.

Gefördert wurden die Arbeiten nicht nur vom ERC (European Research Council) und der Max-Planck-Gesellschaft, sondern auch vom Energieministerium der USA. Die Marburger Mikrobiologie – das Max-Planck-Institut sowie das Zentrum für synthetische Mikrobiologie auf den Lahnbergen stellten dabei für Erb die perfekte Forschungs-Umgebung dar.

von Manfred Hitzeroth

 
 
Voriger Artikel
Nächster Artikel

Auf der Meinungsseite der OP finden Sie Kommentare zu lokalen und regionalen Ereignissen und zum politischen Weltgeschehen. Sportliche "Einwürfe" und lokale Glossen gehören zum meinungsstarken Erscheinungsbild der Oberhessischen Presse. mehr