CO2 als Kohlenstoffquelle
mit künstlicher Fotosynthese gegen den Klimawandel

Ein synthetischer, biologischer Stoffwechselweg bindet CO2 effizienter als Pflanzen

mpi-marburg-mpg-de-logoCO2 könnte sich künftig mit einem neuen biologischen Mittel aus der Atmosphäre entfernen lassen. Denn ein synthetischer Stoffwechselweg, den Tobias Erb und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg entwickelt haben, wandelt CO2 aus der Luft effizienter in eine organische Substanz um, als das Pflanzen in der Fotosynthese gelingt.

juelicher-photosynthese-system-foto-forschungszentrum-juelichDas Team um Erb hat nach dem Vorbild der Fotosynthese einen künstlichen, aber komplett biologischen Stoffwechselweg entwickelt, der Kohlendioxid aus der Luft mit 20 Prozent höherer Effizienz bindet, als das Pflanzen fotosynthetisch schaffen. Die Forscher haben das neue System, das sie am 18.11.2016 im Wissenschaftsmagazin Science vorstellten, zunächst am Reißbrett geplant – und dann im Labor in die Realität umgesetzt.

thomas-erb-foto-mpi-marburg-mpg-deUm die ökologische, aber auch soziale Herausforderung des Klimawandels zu meistern, „müssen wir neue Wege finden, um das überschüssige CO2 nachhaltig aus der Luft zu entfernen und in etwas Nützliches umzuwandeln“, betont Erb, der im Marburger Max-Planck-Institut eine Nachwuchsgruppe leitet.

Theoretisch könnte man das Problem mit einer höheren land- und forstwirtschaftlichen Produktivität angehen. Denn Pflanzen fixieren über die Fotosynthese Kohlendioxid aus der Luft. Aus dem CO2 produzieren sie über einen schrittweisen Prozess, den sogenannten Calvin-Zyklus, Zucker für ihre Ernährung. Jeder einzelne biochemische Schritt hin zum Zucker wird von einem eigenen Enzym angestoßen beziehungsweise beschleunigt. Die verschiedenen Biokatalysatoren sind dabei genau aufeinander abgestimmt, damit sie zusammenarbeiten können. Doch es gibt ein Problem: Das CO2-bindende Enzym des Calvin-Zyklus in Pflanzen, in Fachkreisen RuBisCo genannt, ist vergleichsweise langsam. Außerdem irrt es sich häufig: Bei jeder fünften Reaktion schnappt sich RuBisCo statt eines CO2– ein Sauerstoffmolekül.

[note Sich von der Natur inspirieren lassen: Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie hat einen synthetischen, aber biologischen Stoffkreislauf entwickelt, der effizient Kohlendioxid bindet. (Video in Englisch)]

Ein Bakterien-Enzym bindet CO2 fehlerfrei und mit Turbo

„Da gibt es in der Natur CO2-fixierende Enzyme ganz anderer Qualität“, betont Erb. Solche Enzyme, die schneller und effizienter sind als die RuBisCo in Pflanzen, arbeiten natürlicherweise im Stoffwechsel von Mikroorganismen. Eines dieser Enzyme, mit dem unaussprechlichen Namen „Crotonyl-CoA Carboxylase/Reductase“, hat Erb selbst aus einem Bakterium isoliert. Dieses Enzym irrt sich so gut wie nie – und arbeitet zudem gewissermaßen mit einem Turbo, denn es funktioniert zwanzigmal schneller als sein Gegenstück aus der Pflanzenwelt.

Noch in seiner Zeit an der ETH Zürich begannen Erb und sein Team darüber nachzudenken, wie man das Turbo-Enzym nutzen könnte, um damit CO2 in organische Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln. Doch dafür braucht es, wie im Calvin-Zyklus, weitere Enzyme. Diese konnten die Forscher aber nicht einfach aus dem Calvin-Zyklus übernehmen, weil dessen Biokatalysatoren nicht zum Turbo-Enzym passen.

Folgt: Ein Stoffwechselweg mit 17 Enzymen aus neun Organismen