{"id":38981,"date":"2016-11-23T07:29:43","date_gmt":"2016-11-23T06:29:43","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=38981"},"modified":"2021-09-09T21:39:44","modified_gmt":"2021-09-09T19:39:44","slug":"mit-kuenstlicher-fotosynthese-gegen-den-klimawandel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mit-kuenstlicher-fotosynthese-gegen-den-klimawandel\/","title":{"rendered":"Mit k\u00fcnstlicher Fotosynthese gegen den Klimawandel"},"content":{"rendered":"

Das Treibhausgas Kohlendioxid k\u00f6nnte sich k\u00fcnftig mit einem neuen biologischen Mittel aus der Atmosph\u00e4re entfernen lassen. Denn ein Team um Tobias Erb, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie in Marburg hat nach dem Vorbild der Fotosynthese einen k\u00fcnstlichen, aber komplett biologischen Stoffwechselweg entwickelt, der Kohlendioxid aus der Luft mit 20 Prozent h\u00f6herer Effizienz bindet, als das Pflanzen fotosynthetisch schaffen. Die Forscher haben das neue System, das sie in dieser Woche im Wissenschaftsmagazin Science vorstellen, zun\u00e4chst am Rei\u00dfbrett geplant \u2013 und dann im Labor in die Realit\u00e4t umgesetzt.<\/strong><\/p>\n

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Manche Enzyme haben Forscher des Max-Planck-Instituts f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie unter anderem mithilfe von Computersimulationen so ma\u00dfgeschneidert, dass sie zum CETCH-Zyklus passen. Dieser synthetische Stoffwechselweg bindet CO2 aus der Luft deutlich effizienter als der Calvin-Zyklus in Pflanzen.(\u00a9 mediomix \/ MPI f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie) – Zoom – <\/a><\/figcaption><\/figure>\n

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Eine der dr\u00e4ngendsten Herausforderungen unserer Zeit ist der Klimawandel. Seit Beginn der industriellen Revolution ist die Konzentration an Kohlendioxid (CO2<\/sub>) in der Luft durch den Menschen stetig angestiegen. Diese Zunahme heizt nach aller wissenschaftlichen Erkenntnis den Treibhauseffekt an und ver\u00e4ndert das Klima. Die Konsequenzen sind bereits sp\u00fcrbar. Um die \u00f6kologische, aber auch soziale Herausforderung des Klimawandels zu meistern, \u201em\u00fcssen wir also neue Wege finden, um das \u00fcbersch\u00fcssige CO2<\/sub> nachhaltig aus der Luft zu entfernen und in etwas N\u00fctzliches umzuwandeln\u201c, betont Erb, der im Marburger Max-Planck-Institut eine Nachwuchsgruppe leitet.<\/p>\n

Theoretisch k\u00f6nnte man das Problem mit einer h\u00f6heren land- und forstwirtschaftlichen Produktivit\u00e4t angehen. Denn Pflanzen fixieren \u00fcber die Fotosynthese Kohlendioxid aus der Luft. Aus dem CO2<\/sub> produzieren sie \u00fcber einen schrittweisen Prozess, den sogenannten Calvin-Zyklus, Zucker f\u00fcr ihre Ern\u00e4hrung. Jeder einzelne biochemische Schritt hin zum Zucker wird von einem eigenen Enzym angesto\u00dfen beziehungsweise beschleunigt. Die verschiedenen Biokatalysatoren sind dabei genau aufeinander abgestimmt, damit sie zusammenarbeiten k\u00f6nnen. Doch es gibt ein Problem: Das CO2<\/sub>-bindende Enzym des Calvin-Zyklus in Pflanzen, in Fachkreisen RuBisCo genannt, ist vergleichsweise langsam. Au\u00dferdem irrt es sich h\u00e4ufig: Bei jeder f\u00fcnften Reaktion schnappt sich RuBisCo statt eines CO2<\/sub>– ein Sauerstoffmolek\u00fcl.<\/p>\n

Ein Bakterien-Enzym bindet CO2<\/sub> fehlerfrei und mit Turbo<\/h3>\n

\u201eDa gibt es in der Natur CO2<\/sub>-fixierende Enzyme ganz anderer Qualit\u00e4t\u201c, betont Erb. Solche Enzyme, die schneller und effizienter sind als die RuBisCo in Pflanzen, arbeiten nat\u00fcrlicherweise im Stoffwechsel von Mikroorganismen. Eines dieser Enzyme, mit dem unaussprechlichen Namen \u201eCrotonyl-CoA Carboxylase\/Reductase\u201c, hat Erb selbst aus einem Bakterium isoliert. Dieses Enzym irrt sich so gut wie nie \u2013 und arbeitet zudem gewisserma\u00dfen mit einem Turbo, denn es funktioniert zwanzigmal schneller als sein Gegenst\u00fcck aus der Pflanzenwelt.<\/p>\n

Noch in seiner Zeit an der ETH Z\u00fcrich begannen Erb und sein Team dar\u00fcber nachzudenken, wie man das Turbo-Enzym nutzen k\u00f6nnte, um damit CO2<\/sub> in organische Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln. Doch daf\u00fcr braucht es, wie im Calvin-Zyklus, weitere Enzyme. Diese konnten die Forscher aber nicht einfach aus dem Calvin-Zyklus \u00fcbernehmen, weil dessen Biokatalysatoren nicht zum Turbo-Enzym passen.<\/p>\n

Ein Stoffwechselweg mit 17 Enzymen aus neun Organismen<\/h3>\n

Daher hat Tobias Erb zun\u00e4chst theoretisch einen neuen, auf den Namen CETCH getauften Zyklus (f\u00fcr Crotonyl-CoA\/Ethylmalonyl-CoA\/Hydroxybutyryl-CoA) mit m\u00f6glichen passenden Enzymen und s\u00e4mtlichen biochemischen Reaktionen entworfen. Aus Datenbanken mit 40.000 bekannten Enzymen hat er dann ein paar Dutzend Kandidaten gefischt, die die geplanten Aufgaben erf\u00fcllen k\u00f6nnten.<\/p>\n

Anschlie\u00dfend hat Erbs Team in nur zwei Jahren s\u00e4mtliche Enzyme in einem Reagenzglas zu einem \u201erobust funktionierenden, optimierten Zyklus\u201c zusammengef\u00fcgt. Dabei haben die Forscher immer wieder neue Biokatalysatoren getestet, oft gentechnisch ver\u00e4ndert und neue Kombinationen von Enzymen ausprobiert, um das System zu finden, indem die Komponenten optimal zusammen arbeiten.<\/p>\n

Am Ende stand ein k\u00fcnstlicher CO2<\/sub>-fixierender Zyklus \u2013 etwas, das in dieser Art nach Erbs Wissen \u201enoch niemand geschafft haben d\u00fcrfte.\u201c Beteiligt sind 17 verschiedene Enzyme, darunter drei \u201eDesigner-Enzyme\u201c, aus neun verschiedenen Organismen bis hin zum Menschen. Unterm Strich bindet der CETCH-Zyklus, mit dem die Marburger Forscher die Dunkelreaktion der Fotosynthese nachahmen, CO2<\/sub> mit 20 Prozent h\u00f6herer Effizienz als der Calvin-Zyklus der Pflanzen.<\/p>\n

Der CETCH-Zyklus kann verschiedene Substanzen produzieren<\/h3>\n

Der synthetische Stoffwechselweg des Marburger Max-Planck-Teams ist somit eine Pionierarbeit auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie. In deren Zuge wollen Wissenschaftler unter anderem nach biologischen Prinzipien neue, f\u00fcr den Menschen n\u00fctzlichen Systeme und Organismen bauen.<\/p>\n

In Erbs Modell-Zyklus zieht seine Energie derzeit aus einer chemischen Reaktion und nicht aus Licht wie bei der Fotosynthese der Pflanzen, und am Ende kommt dabei die sogennante Glyoxals\u00e4ure\u00a0 heraus. \u201eDer CETCH-Zyklus\u201c, sagt der Marburger, \u201ekann aber so ver\u00e4ndert werden, dass dabei zum Beispiel Rohstoffe f\u00fcr Biodiesel entstehen.\u201c Oder ein Antibiotikum oder viele andere Substanzen.<\/p>\n

Anwendung in Bakterien, Algen oder kombiniert mit Solarzellen<\/h3>\n

F\u00fcr die praktische Anwendung k\u00f6nnten die n\u00f6tigen Gene f\u00fcr den Zyklus in ein Bakterium oder eine Alge verfrachtet werden. Diese ver\u00e4nderten Mikroorganismen w\u00fcrden dann das jeweils gew\u00fcnschte Produkt herstellen \u2013 und k\u00f6nnten dazu einfach das CO2<\/sub> aus der Atmosph\u00e4re verwenden. Sie w\u00fcrden also das atmosph\u00e4rische Treibhausgas nutzbringend umwandeln. Der CETCH-Zyklus k\u00f6nnte sich aber auch an Solarzellen koppeln lassen und die Elektronen, die diese liefern, zur Umwandlung von CO2<\/sub> in n\u00fctzliche chemische Verbindungen verwenden.<\/p>\n

Technisch erscheinen derlei Visionen nicht mehr unm\u00f6glich. Das Verst\u00e4ndnis, wie man biologische Prozesse von Grund auf neu konstruieren kann, wird momentan innerhalb des MaxSynBio-Netzwerkes der Max-Planck-Gesellschaft intensiv erforscht. Tobias Erb m\u00f6chte seinen Teil dazu beitragen, die grundlegenden Konstruktionsprinzipien des Metabolismus zu verstehen. \u201eUnsere Wissenschaft zielt darauf ab, die Umwandlung von unbelebtem CO2<\/sub> in organische Materie neu zu erfinden. Unser Traum ist es, mithilfe von ma\u00dfgeschneiderten Enzymen einen synthetischen Metabolismus 2.0 zu erschaffen, der jede beliebige Verbindung aus CO2<\/sub> herstellen kann.\u201c<\/p>\n

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\nKontakt<\/h3>\n

Dr. Tobias Erb
\nMax-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie, Marburg
\nTelefon:+49 6421 178-426
\nE-Mail: toerb@mpi-marburg.mpg.de<\/a><\/p>\n

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\nOriginalpublikation<\/em><\/h3>\n

Thomas Schwander, Lennart Schada von Borzyskowski, Simon Burgener, Ni\u00f1a Socorro Cortina und Tobias J. Erb; A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro<\/em>
\nScience, 18. November 2016; doi: 10.1126\/science aah5237<\/a><\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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