Weg zu neuen CO2-Schluckern: Forscher haben einen Reaktionszyklus entwickelt, der CO2 aufnimmt und in organische Verbindungen umwandelt. Er funktioniert damit wie die Fotosynthese der Pflanzen, ist aber 20 Prozent effizienter. Der Clou daran: Dieser Reaktionsweg ist zwar am Reißbrett entstanden, nutzt aber Enzyme und Abläufe der Natur. Er könnte daher in Algen oder Bakterien eingebaut werden und sie zu potenten CO2-Schluckern machen, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Wohin mit dem Kohlendioxid? Angesichts eher zögerlicher Fortschritte beim klassischen Klimaschutz und stetig steigender CO2-Werte suchen Forscher weltweit nach Möglichkeiten, CO2 gezielt aus Abgasen oder aus der Luft zu entfernen. Erste Ansätze sind eine Abscheidung und Speicherung im Untergrund (CCS), aber auch eine Versteinerung durch Bindung in Basaltgestein. Für ein Herausfiltern des CO2 aus der Luft jedoch gibt es bisher kaum praktikable Methoden.

Calvinzyklus als Vorbild

Jetzt jedoch könnten Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und seine Kollegen eine Lösung gefunden haben. Sie haben mit Methoden der synthetischen Biologie einen biochemischen Reaktionszyklus entwickelt, der ähnlich wie die Pflanzen CO2 bindet und in organische Moleküle umwandelt – und das schneller und besser als normale Pflanzen dies tun.

Ausgangspunkt war der Calvinzyklus der Pflanzen – die Kette chemischer Reaktionen, durch die sie in der Fotosynthese CO2 in Zucker umwandeln. In diesem Zyklus wird jeder einzelne Reaktionsschritt von einem speziellen Enzym angestoßen und katalysiert. Wie Zahnräder in einem Getriebe sind diese perfekt aufeinander abgestimmt.

Bottom-Up-Ansatz

Aber: Ausgerechnet das entscheidende, CO2-bindende Enzym, RuBisCo, ist ziemlich langsam und baut zudem häufig irrtümlicherweise O2 statt CO2 ein. „Da gibt es in der Natur CO2-fixierende Enzyme ganz anderer Qualität“, sagt Erb. Eines davon, die Crotonyl-CoA Carboxylase/Reductase arbeitet beispielsweise in einigen Mikroorganismen – aber es passt chemisch nicht zum Rest des Calvinzyklus.

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Aus 17 Enzymen Schritt für Schritt zusammengesetzt - der CETCH-Zyklus entstand quasi am Reißbrett © mediomix / MPI für terrestrische Mikrobiologie

Statt nun zu versuchen, dieses Enzym doch irgendwie in den Calvinzyklus einzufügen, wählten Erb und seine Kollegen den „Bottom-Up“-Ansatz: Sie entwickelten einen ganz neuen, künstlichen Zyklus, der zwar ähnlich funktioniert wie der pflanzliche Stoffwechselweg, aber mit anderen, effizienteren Komponenten. „Dadurch mussten wir unsere Versuche nicht auf die bekannten Enzyme beschränken, sondern konnten alle potenziell geeigneten biochemischen Reaktionen berücksichtigen“, erklärt Erb.

Enzym für Enzym zusammengesetzt

Zunächst entwarfen die Forscher dafür den theoretischen Ablauf dieses Zyklus und ermittelten so, welche verschiedenen Reaktionsschritte nötig sind und welche Katalysatoren man dafür braucht. Dann fahndeten die Wissenschaftler in Molekül-Datenbanken nach chemischen Verbindungen, die als Enzyme für ihren Zyklus geeignet wären. Nach Durchmusterung von rund 40.000 Enzymen blieben einige Dutzend Kandidaten übrig.

Zwei Jahre lang arbeiten die Forscher daran, die Enzyme zu testen und zu optimieren, bis sie schließlich die richtigen gefunden hatten – und sie zu einem robust funktionierenden, optimierten Zyklus zusammenfügen konnten. Er besteht aus 17 verschiedenen Enzymen aus neun verschiedenen Organismen. Die Forscher haben diesen künstlichen CO2-bindenden Stoffwechselweg CETCH getauft – kurz für Crotonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA.

So entwickelten die Forscher ihre künstliche Fotosynthese © DOE Joint Genome Institute

20 Prozent effizienter

„Der CETCH-Zyklus ist damit eine siebte, künstliche Alternative zu den sechs von der Natur entwickelten CO2-Fixierungs-Wegen“, konstatieren die Forscher. Der Clou des Ganzen: Der CETCH-Zyklus enthält ein CO2-bindendes Enzym, das das Treibhausgas 20 Mal schneller bindet als das RuBisCo der Pflanzen – und es irrt sich zudem so gut wie nie.

Dadurch arbeitet der CETCH- Zyklus um 20 Prozent effizienter als die fotosynthetische CO2-Bindung der Pflanzen, wie die Forscher berichten. Es ist quasi eine Turbo-Version des pflanzlichen Calvinzyklus.

Anwendung in Algen oder Bakterien

Wird dieser Stoffwechselweg in eine Alge oder ein Bakterium eingebaut, könnte so sehr viel mehr CO2 aus der Luft aufgenommen werden als durch normale Pflanzen. Der CETCH-Zyklus könnte sich aber auch an Solarzellen koppeln lassen und die Elektronen, die diese liefern, zur Umwandlung von CO2 verwenden.

Ein weiterer Vorteil: Welches Endprodukt beim CETCH-Zyklus entsteht, kann anpasst werden. Bisher ist das Endprodukt die Glyoxalsäure, es könnten aber auch Biodiesel, Antibiotika oder viele andere Substanzen entstehen. „Unsere Wissenschaft zielt darauf ab, die Umwandlung von unbelebtem CO2 in organische Materie neu zu erfinden“, sagt Erb. „Unser Traum ist es, mithilfe von maßgeschneiderten Enzymen einen synthetischen Metabolismus 2.0 zu erschaffen, der jede beliebige Verbindung aus CO2 herstellen kann.“ (Science, 2016; doi: 10.1126/science aah5237)

18. November 2016