Thekla Ehling für VolkswagenStiftung
Künstliche Photosynthese: Besser als grün
Der Mikrobiologe Tobias Erb hat die Photosynthese im Labor neu erfunden. Ob sich das künftig industriell nutzen lässt – mit dem Nebeneffekt, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen? Die nächsten Schritte werden spannend …
Vor rund drei Milliarden Jahren hatte die Natur eine ziemlich gute Idee. Damals entwickelte sich in Cyanobakterien einer der wichtigsten Prozesse überhaupt – die Photosynthese. Den Bakterien gelang es erstmals, Sonnenenergie zu nutzen, um damit Kohlendioxid aus der Luft zu energiereichen Zuckern zu verarbeiten.
Die Photosynthese ist nicht besonders effizient. Man kann es besser machen.
Im Laufe der Evolution ging die Photosynthese irgendwann auf die Pflanzen über – und wurde schließlich zum Erfolgsmodell; heute betreiben alle grünen Pflanzen Photosynthese. Ohne die Photosynthese wäre höheres Leben auf Erden nicht denkbar, denn die pflanzliche Biomasse ist die Nahrungsgrundlage der Tiere und auch des Menschen. "Evolutionär betrachtet, ist die Photosynthese ein ausgesprochen erfolgreicher biochemischer Prozess", sagt Tobias Erb, "andererseits ist sie nicht besonders effizient. Man kann es besser machen."
Angesichts eines so altbewährten Stoffwechselprozesses klingt das beinahe anmaßend. Doch Tobias Erb, Mikrobiologe am Marburger Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie weiß, was er sagt. "Die Evolution ist ausgesprochen konservativ. Hat sie einmal eine gute Idee hervorgebracht, dann weicht sie kaum mehr davon ab." Bei der Photosynthese hält sie bis heute an einem Milliarden Jahre alten Eiweiß fest, das gewissermaßen das Arbeitspferd der Photosynthese ist: das Enzym Rubisco. Es bindet das Kohlendioxid (CO2) und wandelt es um. Doch im Vergleich mit anderen Enzymen ist Rubisco ausgesprochen langsam. Es setzt im Durchschnitt nur fünf bis zehn CO2-Moleküle pro Sekunde um. Außerdem ist Rubisco nicht besonders zuverlässig. Bei etwa jedem fünften Molekül verarbeitet es statt des Kohlendioxids versehentlich ein Sauerstoffmolekül. Und das mindert den Ertrag der Photosynthese erheblich.
Tobias Erb ist Mikrobiologe und hat die Fotosythese im Labor neu erfunden.
Vorbild: Hochleistungsenzyme aus der Natur
Die Pflanzenwelt ist bei Rubisco geblieben, obwohl sich anderswo in der Natur ein Enzym entwickelt hat, das Kohlendioxid etwa zwanzigmal schneller verarbeiten kann – und dabei kaum Fehler macht – die Enoyl-CoA-Carboxylase-Reduktase (ECR). Sie findet sich unter anderem in Purpurbakterien, die in den sauerstoffarmen Sedimenten am Grunde von Gewässern vorkommen. Vor einiger Zeit kam Tobias Erb zusammen mit seinem Marburger Team auf die Idee, die Photosynthese für die Optimierung quasi neu zu erfinden und dabei Hochleistungsenzyme wie ECR aus den Purpurbakterien zu nutzen – eine künstliche Photosynthese im Laborglas. Die Herausforderung bestand darin, dass an dem Prozess neben Rubisco noch ein gutes Dutzend anderer Enzyme beteiligt sind, die fein aufeinander abgestimmt sind. Entfernt man auch nur ein Enzym, dann bricht der biochemische Prozess zusammen.
So waren die Marburger gezwungen, für das Zusammenspiel mit ECR andere Enzyme zu finden und eine ganz neue Prozesskette zusammenzubauen. "Es gibt heute große Datenbanken, in denen man nach Enzymen mit verschiedenen Eigenschaften suchen kann", erzählt Tobias Erb. "Nach gut zwei Wochen hatten wir geeignete Kandidaten für die insgesamt 17 Enzyme gefunden, die wir für unsere Photosynthese brauchen"; darunter Energie-wandelnde Eiweiße, die ursprünglich aus Pilzen stammen, Enzyme aus der Leber des Menschen oder aus dem Darmbakterium Escherichia coli.
Sie arbeiten in Marburg am BRILIANCE-Projekt (von links): Roland Lill, Magda Rakwalska-Bange, Tobias Erb und Karen Chan.
Mühsame Anpassung der Enzyme notwendig
Doch damit ging die eigentliche Arbeit erst richtig los, denn so hundertprozentig passten die Eiweiße zunächst noch nicht zusammen. Immer wieder stockte die Prozesskette. In einem Fall führte beispielsweise ein Schritt dazu, dass toxische Nebenprodukte entstanden, die die anderen Enzyme nicht vertrugen. Tobias Erb und seine Kollegen mussten die Enzyme deshalb immer wieder umbauen, Bausteine des Molekülgerüsts verändern, Aminosäuren austauschen. Doch dann klappte es: Im Laborglas ließ sich die künstliche Photosynthese starten und eine gewisse Zeit lang betreiben.
Wir stellen uns vor, künftig mithilfe der künstlichen Photosynthese aus Kohlendioxid verschiedene Produkte herzustellen.
"Wir stellen uns vor, künftig mithilfe der künstlichen Photosynthese aus Kohlendioxid verschiedene Produkte herzustellen, etwa Kohlenwasserstoffe für die chemische Industrie oder Treibstoffe", sagt Tobias Erb. Vieles sei möglich, je nachdem, welche Proteine man kombiniere. Und dabei will er jetzt ein Stück weit zurück zur Natur: Zusammen mit seinen Projekt-Kollegen in Marburg, Prof. Dr. Roland Lill, und in den USA, Prof. Dr. John Glass, will er die künstliche Photosynthese aus dem Laborglas wieder in die lebende Zelle bringen.
Die dafür passende Zelle gibt es bereits: Forscher vom J. Craig Venter Institute in Rockville im US-Bundesstaat Maryland haben vor einiger Zeit eine stark vereinfachte Zelle für die biochemische Forschung gezüchtet. Ihr Erbgut und ihr Stoffwechsel sind so weit reduziert, dass die Zelle lediglich überleben und sich teilen kann. Sonst kann sie keine Funktion erfüllen. Sie ist gewissermaßen ein leerer Biobehälter, in dem man verschiedene Stoffwechselprozesse ablaufen lassen kann. Es reicht, jene Gene in die Zelle einzuschleusen, die die Information für den Bau der benötigten Enzyme enthalten – und schon kann es losgehen; erst mit dem Bau der Enzyme und schließlich mit den entsprechenden biochemischen Produktionsprozessen.
Bevor diese in die Minimalzelle eingeschleust werden, kontrolliert Tobias Erb die Gene im Blaulicht.
In der Forschung und der Industrie werden heute vielfach Bakterien eingesetzt, deren Erbgut so verändert wurde, dass sie bestimmte Stoffwechselprozesse ausführen – beispielsweise die Produktion von Insulin. "Doch diese Bakterien haben viele Tausend Gene, die die Information für ebenso viele Proteine und Enzyme enthalten, und diese würden die künstliche Photosynthese stören", sagt Tobias Erb. Sehr viel besser sei da die sogenannte "Minimalzelle" von den Kollegen aus dem J. Craig Venter Institute. Erb arbeitet mit ihnen in seinem aktuellen Projekt mit dem Namen "BRILIANCE" eng zusammen. Dies steht für "Bringing inorganic carbon to life with artificial CO2-fixation in a minimal cell", und umreißt damit die Projektidee recht gut: unbelebtes, anorganisches Kohlendioxid aus der Atmosphäre soll mithilfe der künstlichen Photosynthese in einer Minimalzelle in lebende Materie verwandelt werden.
Der Evolution einen Schubs geben
Doch wozu der Sprung aus dem Laborglas zurück in die Zelle? "Ich will damit die Evolution wieder anstoßen", sagt Tobias Erb. "Wir wollen die Zelle dazu bringen, die von uns entworfene neue Fotosynthese weiterzuentwickeln, evolutiv zu verbessern." Ganz so wie es die Natur durch Mutation und Selektion, durch Versuch und Irrtum macht. Mit der Entwicklung der künstlichen Fotosynthese im Laborglas hat Tobias Erb der Evolution einen Schubs gegeben, ihr einen Weg aus der Rubisco-Sackgasse gezeigt. Jetzt will er ihre Kreativität nutzen und beobachten, wie sie den künstlichen Prozess noch verbessern und effizienter machen kann.
Flüssigkulturen von Blaualgen (Cyanobakterien), deren natürliche Photosynthese die Versuche des Teams um Tobias Erb zur künstlichen Photosynthese inspiriert haben.
Ich will damit die Evolution wieder anstoßen.
Mit seinen Arbeiten überschreitet Tobias Erb gleich mehrfach die Schwelle zwischen der Chemie und der Biologie, zwischen den Naturwissenschaften und den Lebenswissenschaften. Und damit passt sein aktuelles Projekt perfekt in die Förderinitiative "Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens" der VolkswagenStiftung.
Noch ist all das Grundlagenforschung, sagt Tobias Erb. Aber die Anwendung ist bereits in Sicht: zum Beispiel eine effiziente Herstellung von Aminosäuren oder Antibiotika, bei der Kohlendioxid aus der Luft genutzt wird. Sollte sich die Methode in Zukunft tatsächlich in großem Maßstab einsetzen lassen, könnte sie sich auch als eine willkommene Maßnahme im Kampf gegen die Klimaerwärmung erweisen. Das Treibhausgas Kohlendioxid wird aus der Atmosphäre entfernt und für die Herstellung von diversen Produkten genutzt. Sofern diese Produkte langlebig und haltbar sind, ließe sich die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre damit auf lange Sicht reduzieren. Auch wenn es bis zur optimalen Nutzung der vom Menschen entwickelten Photosynthese noch weit ist: Die Aussichten sind vielversprechend.
