Die Natur nutzt das Sonnenlicht f\u00fcr chemische Synthesen, doch bislang fiel es schwer, diesen Prozess an menschliche Bed\u00fcrfnisse anzupassen. Ein neuerer Ansatz nimmt sich die Photosynthese zum Vorbild, trennt die Reaktion aber in zwei Teile auf: Photoelektroden oder Solarpanele liefern die Energie, mit der modifizierte Mikroorganismen Kohlendioxid in biologische Bausteine verwandeln.<\/p>\n
Die Photosynthese verwandelt j\u00e4hrlich etwa 130 Terawatt Sonnenstrahlung in 115 Milliarden Tonnen Biomasse – kein industrieller Prozess erreicht auch nur ann\u00e4hernd diese Gr\u00f6\u00dfenordnungen. Das weckt Begehrlichkeiten: Wissenschaftler versuchen seit langem, die Photosynthese nach menschlichen Bed\u00fcrfnissen umzugestalten. Doch dies hat sich als \u00e4u\u00dferst schwierig erwiesen, ein gro\u00dfer Durchbruch l\u00e4sst weiterhin auf sich warten.<\/p>\n
Ein Teil des Problems liegt darin, dass die Photosynthese aus zwei unterschiedlichen Prozessen besteht. Im ersten Schritt wird die Energie der Sonne genutzt, um das Kohlendioxid in der Luft f\u00fcr die Zelle verwertbar machen. Erst im zweiten Schritt erfolgt die Biosynthese von Zuckern und anderen Substanzen. Wissenschaftler wollen meist nur den zweiten Schritt ver\u00e4ndern – statt Zucker sollen etwa Biotreibstoffe oder Bausteine f\u00fcr Kunststoffe und Medikamente entstehen. Doch derartige Manipulationen beeintr\u00e4chtigen meist auch den ersten Schritt: Die Lichtenergie kann nicht mehr optimal genutzt werden und der Prozess wird ineffizient.<\/p>\n
Solarpanele ersetzen Chlorophyll
\nEinige Forschergruppen streben nun eine radikale L\u00f6sung an: Sie trennen Lichtreaktion und Biosynthese in separate Vorg\u00e4nge auf. Photoelektroden und Solarpanele ersetzen das Chlorophyll und die nat\u00fcrlichen Photosysteme, w\u00e4hrend ausgesuchte Mikroorganismen f\u00fcr die Produktion der gew\u00fcnschten Substanzen zust\u00e4ndig sind. Der Stoffwechsel der Mikroben kann nun manipuliert werden, ohne dass die Lichtausbeute wesentlich darunter leidet.<\/p>\n
Zu den Vorreitern dieses Ansatzes geh\u00f6rt das Labor von Peidong Yang am Kavli Energy NanoSciences Institut in Kalifornien. Die Forscher entwickelten ein sogenanntes hybrides bioanorganisches System (Nichols et al., PNAS 2015, Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion<\/a>): Als Energiequelle dient eine Photoelektrode, die Wasser – wie bei einer klassischen Elektrolyse – in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet. Der Wasserstoff erm\u00f6glicht es im n\u00e4chsten Schritt dem Archaeon Methanosarcina barkeri, das reaktionstr\u00e4ge Kohlendioxid in den potentiellen Biotreibstoff Methan zu verwandeln. Synthese von biologischen Bausteinen Auch f\u00fcr diese Aufgabe haben Yang und seine Kollegen eine m\u00f6gliche L\u00f6sung beschrieben (Liu et al, NanoLetters 2015, Nanowire\u2212Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals<\/a>). Als Energiequelle dient erneut eine Photoelektrode, die mit Hilfe von Licht Wasserstoff erzeugt. Die nachfolgende Biosynthese wird jedoch in zwei Schritte aufgeteilt: Den Wasserstoff nutzt das anaerobe Bakterium Sporomusa ovata, um Kohlendioxid in Essigs\u00e4ure zu verwandeln. Und aus der Essigs\u00e4ure stellt ein genmodifiziertes Darmbakterium dann das gew\u00fcnschte Acetyl-Coenzym A her. Das Endprodukt ist nun zwar wertvoll, die Effizienz der Reaktion ist jedoch unbefriedigend – verwertet werden gerade einmal 0,38 % der eingestrahlten Energie.<\/p>\n Gro\u00dfe H\u00fcrden warten Der Forscher Yang h\u00e4lt hybriden Systeme f\u00fcr kommerziell lebensf\u00e4hig, wenn sie ohne unter akzeptablen Kosten etwa 10 % der Sonnenenergie f\u00fcr chemische Synthesen nutzen k\u00f6nnen. Unter Laborbedingungen k\u00f6nnte dies ein machbares Ziel sein. Doch die eigentlich H\u00fcrde wartet bei der Umsetzung in eine industrielle Produktion: Alle Versuche, die Photosynthese zur Erzeugung von Biotreibstoffe zu adaptieren, haben dies bereits leidvoll erfahren.<\/p>\n
\nDieses hybride System beeindruckt durch hohe Effizienz. Gekoppelt an leistungsf\u00e4hige Solarpanele k\u00f6nnten etwa 10 % der einfallenden Sonnenenergie in chemischen Verbindungen gespeichert werden. Zum Vergleich: Die nat\u00fcrliche Photosynthese erreicht meist nur etwa Werte von 3 bis 4 %.<\/p>\n
\nDoch f\u00fcr eine kommerzielle Anwendung ist Methan kein attraktives Produkt – es gibt gen\u00fcgend Methoden, um dieses Brenngas einfacher und g\u00fcnstiger herzustellen. Wesentlich interessanter w\u00e4re es, wenn hybride Systeme das nat\u00fcrliche Stoffwechselprodukt Acetyl-Coenzym A erzeugen k\u00f6nnten: Dieser Baustein bildet die Grundlage f\u00fcr die Synthese von h\u00f6herwertigen Treibstoffen, Kunststoffen und Medikamenten.<\/p>\n
\nHybride bioanorganische Systeme k\u00f6nnen im Moment also entweder effizient arbeiten oder wertvolle Produkte herstellen, aber nicht beides zusammen. Von der Marktreife sind sie daher noch weit entfernt. Dies k\u00f6nnte sich jedoch bald \u00e4ndern. Die Wissenschaftler hoffen auf den Fortschritt der synthetischen Biologie, die best\u00e4ndig neue Methoden entwickelt, um den Stoffwechsel von Bakterien f\u00fcr menschliche Zwecke umzugestalten (Stoffwechsel nach Ma\u00df<\/a>).<\/p>\n