Diese Bakterien können das globale CO2 – Problem, wenn man es als ein solches erachten möchte, lösen: Sie fressen es! Verbots- und Hochsteuerkultur sind damit perspektivisch erledigt. Sie ist nicht mehr notwendig.

Doch der Reihe nach: Bakterien im Labor von Prof. Ron Milo vom Weizmann Institute of Science haben nicht nur Zucker abgeschworen – sie haben aufgehört, ihre normale feste Nahrung zu verzehren, sondern sie leben von Kohlendioxid (CO2) aus ihrer Umgebung.

Das heißt, sie konnten ihre gesamte Biomasse aus der Luft bauen. Dieses Kunststück, das fast ein Jahrzehnt lang rationales Design, Gentechnik und eine beschleunigte Version der Evolution im Labor umfasste, wurde diese Woche in Cell berichtet.

Die Ergebnisse deuten auf Möglichkeiten hin, in Zukunft klimaneutrale Kraftstoffe zu entwickeln.

Die Studie begann mit der Identifizierung wichtiger Gene für den Prozess der Kohlenstofffixierung – die Art und Weise, wie Pflanzen Kohlenstoff aus CO2 aufnehmen, um es in biologische Moleküle wie Protein, DNA usw. umzuwandeln.

Das Forschungsteam fügte die benötigten Gene hinzu und verdrahtete sie neu. Sie fanden heraus, dass viele der “Teile” für die Maschinen, die bereits im Bakteriengenom vorhanden waren, unverändert verwendet werden konnten.

Sie setzten auch ein Gen ein, das es den Bakterien ermöglichte, Energie aus einer leicht verfügbaren Substanz namens Formiat zu gewinnen, die direkt aus Strom und Luft erzeugt werden kann und die dazu geeignet ist, Elektronen an die Bakterien “abzugeben”.

Es reichte nicht aus, den Bakterien einfach nur die “Produktionsmittel” zur Verfügung zu stellen, stellte sich heraus, dass sie den Wechsel vollzogen. Es war noch ein weiterer Trick nötig, um die Bakterien dazu zu bringen, diese Maschine richtig zu benutzen, und das war ein heikler Balanceakt.

Zusammen mit Roee Ben-Nissan, Yinon Bar-On und anderen Mitgliedern von Milos Team in der Abteilung Pflanzen- und Umweltwissenschaften des Instituts nutzte Gleizer die Laborentwicklung, wie die Technik bekannt ist; im Wesentlichen wurden die Bakterien allmählich vom Zucker, den sie zum Essen gewohnt waren, entwöhnt. In jeder Phase erhielten die kultivierten Bakterien gerade so viel Zucker, dass sie nicht völlig verhungern konnten, sowie viel CO2 und Formiat.

Als einige Bakterien lernten, einen Geschmack für CO2 zu entwickeln (was ihnen einen evolutionären Vorteil gegenüber denen verschaffte, die an Zucker klebten), erhielten ihre Nachkommen immer weniger Zucker, bis einige von ihnen nach etwa einem Jahr der Anpassung an die neue Ernährung schließlich den kompletten Wechsel vollzogen und in einer Umgebung lebten und sich vermehrten, die reines CO2 bereitstellte. Der neue “Gesundheitskick” der Bakterien könnte letztlich für den Planeten gesund sein.

Um zu überprüfen, ob die Bakterien nicht irgendwie andere Nährstoffe “naschen”, wurden einigen der entwickelten E. coli CO2 mit einem schweren Isotop – C13 – zugeführt.

Dann wurden die bakteriellen Körperteile gewogen, und das Gewicht, das sie zugenommen hatten, überprüfte die Masse, die durch den Verzehr der schwereren Version von Kohlenstoff hinzugefügt werden würde. Die Analyse ergab, dass die Kohlenstoffatome im Körper der Bakterien alle direkt aus CO2 allein extrahiert wurden.

Anschließend machte sich das Forschungsteam daran, die neu entwickelten Bakterien zu charakterisieren. Welche Änderungen waren für die Anpassung an diese neue Ernährung unerlässlich?

Während einige der von ihnen identifizierten genetischen Veränderungen mit dem Überleben des Hungers zusammenhängen könnten, schienen andere die Synchronisation der Schritte zur Herstellung von Bausteinen durch Anhäufung von CO2 zu regeln. “Die Zelle muss ein Gleichgewicht zwischen toxischer Überlastung und Konkurs herstellen”, sagt Bar-On.

Weitere Änderungen, die das Team feststellte, betrafen die Transkription – die Regelung, wie bestehende Gene ein- und ausgeschaltet werden. “Weitere Forschungen werden hoffentlich genau herausfinden, wie diese Gene ihre Aktivitäten angepasst haben”, sagt Ben-Nissan.

Die Forscher glauben, dass der neue “Gesundheitskick” der Bakterien letztlich für den Planeten gesund sein könnte. Milo weist darauf hin, dass Biotech-Unternehmen heute Zellkulturen zur Herstellung von Grundchemikalien einsetzen.

Solche Zellen – Hefe oder Bakterien – könnten dazu gebracht werden, sich von einer Ernährung mit CO2 und erneuerbarer Energie zu ernähren und so von den großen Mengen Maissirup, von denen sie heute leben, entwöhnt zu werden.

“Es klang anfangs unmöglich, aber es hat uns auf dem Weg dorthin zahlreiche Lektionen gelehrt, und am Ende haben wir gezeigt, dass es tatsächlich machbar ist. Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu effizienten, grünen wissenschaftlichen Anwendungen.”

Bakterien könnten weiter angepasst werden, so dass sie ihre Energie nicht aus einer Substanz wie Formiat beziehen, sondern sie könnten sie direkt nach oben bringen – zum Beispiel Elektronen aus einem Sonnenkollektor – und diese Energie dann für die spätere Verwendung als Brennstoff in Form von Kohlenstoff in ihren Zellen speichern. Ein solcher Kraftstoff wäre klimaneutral, wenn die Quelle seines Kohlenstoffs atmosphärisches CO2 wäre.

“Unser Labor war das erste, das die Idee verfolgte, die Ernährung eines normalen Heterotrophen (der organische Substanzen isst) zu ändern, um sie in Autotrophie (“living on air”) umzuwandeln”, sagt Milo.