{"id":39278,"date":"2016-12-05T07:20:54","date_gmt":"2016-12-05T06:20:54","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=39278"},"modified":"2021-09-09T21:39:39","modified_gmt":"2021-09-09T19:39:39","slug":"wir-wollen-co2-als-kohlenstoffquelle-erschliessen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wir-wollen-co2-als-kohlenstoffquelle-erschliessen\/","title":{"rendered":"\u201eWir wollen CO2<\/sub> als Kohlenstoffquelle erschlie\u00dfen\u201c"},"content":{"rendered":"

Ein synthetischer Stoffwechselweg, den Tobias Erb und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie in Marburg entwickelt haben, wandelt CO2<\/sub> aus der Luft effizienter in eine organische Substanz um, als das Pflanzen in der Fotosynthese gelingt. Wir sprachen mit dem Forscher dar\u00fcber, welche Bedeutung dieser Prozess f\u00fcr den Klimaschutz haben k\u00f6nnte, welche H\u00fcrden die Forscher auf dem Weg dorthin nehmen mussten und welche Perspektiven die Synthetische Biologie hat.<\/strong><\/p>\n

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Tobias Erb, Leiter der Forschungsgruppe Biochemie und Synthetische Biologie des mikrobiellen Metabolismus \u00a9 MPI f\u00fcr terrestrische Mikrobiologie<\/figcaption><\/figure>\n

Gibt es mit dem synthetischen Stoffwechselweg, der CO2<\/sub> bindet, jetzt ein wirksames Mittel den Klimawandel einzud\u00e4mmen?<\/h3>\n

Zun\u00e4chst einmal wollen wir die grundlegenden biologisch-chemischen Prinzipien verstehen, wie gasf\u00f6rmiges CO2<\/sub> in organische Molek\u00fcle umgewandelt werden kann. Unsere Motivation ist prim\u00e4r nicht, den Klimawandel zu stoppen. Wir wollen atmosph\u00e4risches CO2<\/sub> mit biologischen Methoden als Kohlenstoffquelle der Zukunft erschlie\u00dfen. Dass wir dabei zu einem CO2<\/sub>-neutralen Prozess kommen oder gar einem Verfahren, das CO2<\/sub> aus der Atmosph\u00e4re entfernt und sich positiv auf das Klima auswirkt, ist ein toller Nebeneffekt.<\/p>\n

Ich glaube jedoch, dass es viele Wege gibt, den Klimawandel aufzuhalten. Der einfachste beginnt damit, jeden Tag Energie zu sparen. Ich glaube aber auch, dass wir die Biologie der CO2<\/sub>-Fixierung nutzen und verbessern k\u00f6nnen. Designer-Stoffwechselwege, die pro umgesetztem CO2<\/sub>-Molek\u00fcl zum Beispiel weniger Energie verbrauchen oder CO2<\/sub> aus der Luft schneller binden, sind sicher ein interessanter Ansatz, um eine CO2<\/sub>-basierte Biotechnologie zu schaffen.<\/p>\n

Wie nah dran an der Anwendung sind Sie mit dem Prozess bereits?<\/h3>\n

Unsere Arbeit ist in erster Linie immer noch reine Grundlagenforschung. Wir konnten zum ersten Mal im Reagenzglas einen grundlegenden Prozess des Lebens \u2013 die Umwandlung von CO2<\/sub> in organische Substanzen neu erfinden. Wir haben damit quasi ein metabolisches Organ im Reagenzglas geschaffen. Dieses metabolische Organ in lebende Organismen zu transplantieren, ist aber eine v\u00f6llig andere Herausforderung.<\/p>\n

Worin besteht die Herausforderung bei einer solchen Transplantation in lebende Zellen?<\/h3>\n

Wir k\u00f6nnen nicht vorhersagen, wie sich unser Zyklus, der aus 17 Reaktionen besteht, in einer Zelle verhalten wird, in der 3.000 verschiedene Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Eine erfolgreiche Transplantation wird sicher viel Zeit brauchen. Die Max-Planck-Gesellschaft bietet mir und meiner Gruppe aber die M\u00f6glichkeit, dass wir uns diesem n\u00e4chsten, schwierigen Schritt widmen k\u00f6nnen. Das Ergebnis ist dabei jedoch v\u00f6llig offen. Obwohl unsere Berechnungen grunds\u00e4tzlich vermuten lassen, dass unser neuer Weg energieeffizienter funktionieren k\u00f6nnte als nat\u00fcrliche Stoffwechselwege in Pflanzen, m\u00fcssten wir das im Experiment erst einmal nachweisen.<\/p>\n

Worin lagen die gr\u00f6\u00dften Schwierigkeiten, den synthetischen Stoffwechselweg zu entwickeln?<\/h3>\n

Die gr\u00f6\u00dfte Schwierigkeit lag nicht darin, den Stoffwechselweg am Rei\u00dfbrett zu erfinden \u2013 das hat nur ein bis zwei Wochen gedauert. Dann haben wir allerdings mehr als zwei Jahre damit verbracht, den theoretisch entworfenen Zyklus experimentell umzusetzen. Wir mussten alle biologischen Einzelteile des Zyklus, die Enzyme, erst einmal finden und zusammenbringen. Dazu mussten wir unter mehr als 50 Millionen bekannten Genen und 40.000 Enzymen eine Handvoll potenzieller Kandidaten identifizieren und diese jeweils einzeln und im Zusammenspiel mit den anderen Komponenten testen.<\/p>\n

Gab es einen Punkt, an dem Sie erst mal nicht weiterkamen?<\/h3>\n

F\u00fcr lange Zeit konnten wir den Zyklus \u00fcberhaupt nicht in Schwung bringen. Das Problem war, dass ein Enzym zun\u00e4chst nur mit einem chemischen Hilfsmittel, genauer gesagt einer eisenhaltigen Verbindung, funktionierte, die andere Enzyme ausflocken lie\u00df, also aus der L\u00f6sung entfernte. Wir mussten dieses Enzym erst umbauen, damit als Hilfsmittel Sauerstoff verwenden konnten, der sich mit den anderen Partnern vertr\u00e4gt.<\/p>\n

Mussten Sie auf dem Weg noch mit weiteren Schwierigkeiten fertig werden?<\/h3>\n

Eine zweite, gro\u00dfe Schwierigkeit lag darin, dass der Zyklus zu Beginn nur langsam arbeitete und sehr schnell ins Stocken kam. Dies lag daran, dass es zu vielen Fehlreaktionen kam. Wir fanden schlie\u00dflich zu einer \u2013 auf den ersten Blick \u2013 ungew\u00f6hnlichen L\u00f6sung: Wir f\u00fcgten einfach noch mehr Enzyme zu dem Zyklus hinzu. Die Aufgabe dieser zus\u00e4tzlichen Enzyme besteht nur darin, die Fehlreaktionen innerhalb des Zyklus zu korrigieren. Bislang haben wir Biologen diesen Korrekturschleifen des Stoffwechsels offenbar zu wenig Beachtung geschenkt, aber sie scheinen auch im nat\u00fcrlichen Metabolismus sehr wichtig zu sein.<\/p>\n

Der synthetische Ansatz ist in der Biologie noch relativ neu. Wie unterscheidet sich diese Herangehensweise von der in anderen biologischen Disziplinen?<\/h3>\n

Die synthetische Arbeitsweise ist f\u00fcr uns als Biologen immer noch ungew\u00f6hnlich. Wir sind es gewohnt, biologische Systeme auseinanderzunehmen und zu analysieren. Nicht jedoch, sie von Grunde auf neu aufzubauen. Dabei mussten wir uns langsam und in mehreren Runden vortasten, weil wir bislang kaum Regeln f\u00fcr das Design synthetischer Systeme kennen. Wir m\u00fcssen zum Beispiel erst einmal herausfinden, welche Enzyme zusammenpassen zusammen und auf was wir beim Zusammenbau eines komplexen biologischen Systems achten m\u00fcssen. Es kann etwa sein, dass die Natur zellul\u00e4re Prozesse in den Mitochondrien, den Ribosomen und anderen Organellen voneinander trennt, weil sie in unterschiedlichen Milieus stattfinden m\u00fcssen und sich nicht miteinander vertragen. Wann genau man am besten biochemische Reaktionen voneinander trennt, m\u00fcssen wir erst noch herausfinden.<\/p>\n

Der synthetischen Biologie wird oft vorgeworfen, sie wolle k\u00fcnstliches Leben erschaffen. Zeigt Ihre Arbeit auch, dass es darum meistens nicht geht?<\/h3>\n

Wir wollen nicht Gott spielen. Eine k\u00fcnstliche, lebende Zelle zu schaffen liegt meiner Meinung nach in weiter Ferne. Realistischer ist es, dass wir zun\u00e4chst einzelne Lebensprozesse umprogrammieren, wie wir es gerade im MaxSynBio Netzwerk der Max-Planck-Gesellschaft versuchen. Toll w\u00e4re es, wenn wir zum Beispiel einen biologischen Produktionszyklus entwickeln k\u00f6nnten, der sich selbst repariert und erh\u00e4lt. Biologische Systeme arbeiten oft viel effizienter und unter milderen Bedingungen als rein chemische. Und indem wir solche Systeme nachbauen, kommen wir wieder auf neue Ideen, weil wir dabei sehr viele Enzyme bei der Arbeit sehen.<\/p>\n

Wo k\u00f6nnte die Synthetische Biologie besonders hilfreich sein?<\/h3>\n

Ich glaube, dass wir das wahre Potenzial der synthetischen Biologie noch gar nicht absch\u00e4tzen k\u00f6nnen. Wir sollten uns in dieser Hinsicht vielleicht an der Chemie orientieren, die sich im 19. Jahrhundert nach und nach von einer analytischen zu einer synthetischen Disziplin entwickelt hat. Dieser Wandel hat uns den Weg zu komplett neuen Materialien, Werkstoffen, Medikamenten er\u00f6ffnet. Ich bin mir sicher, dass die synthetische Biologie \u00e4hnliches schaffen kann, aber diese Entwicklung braucht Zeit und wir m\u00fcssen die grundlegenden Prinzipien, wie man komplexe biologische Systeme aufbauen kann, erst einmal kennenlernen.<\/p>\n

Welche grundlegenden Probleme sind da noch zu bew\u00e4ltigen?<\/h3>\n

Biologische Systeme sind grunds\u00e4tzlich sehr komplex und stark miteinander verschaltet, was den Nachbau und Neubau schwierig macht. So ist ein Enzym nicht nur ein Biokatalysator, der eine chemische Reaktion vermittelt, sondern es ist auch direkt mit seinen chemischen Produkten r\u00fcckgekoppelt, weil das Produkt das Enzym kontrolliert: Sobald genug von einer Substanz entstanden ist, hemmt diese den Katalysator. In diesem Sinne sind Funktion und Informationsaustausch in biologischen Systemen sehr oft eng miteinander verzahnt.<\/p>\n

Gibt es weitere Besonderheiten biologischer Systeme?<\/h3>\n

Biologische Systeme unterscheiden sich von technischen Systemen dadurch, dass sie sich adaptieren und weiterentwickeln k\u00f6nnen. Dies bedingt aber auch, dass biologische Systeme nicht perfekt sind. Nur weil Enzyme Fehler machen und auch Nebenreaktionen katalysieren, haben sie die Chance, neue Funktionen zu entwickeln. Das ist ungef\u00e4hr so, als w\u00fcrden Sie mit dem Fahrrad einmal zuf\u00e4llig in eine falsche Stra\u00dfe abbiegen und feststellen, dass sie dann schneller nach Hause kommen. Genauso entwickeln Enzyme auch neue, bessere Wege \u00fcber Fehler.<\/p>\n

Um Biologie synthetisch zu machen, m\u00fcssen wir also verstehen, wie wir Imperfektion, Evolution und Komplexit\u00e4t in den Aufbau biologischer Systeme integrieren k\u00f6nnen. Dazu braucht es noch viel mehr Grundlagenforschung, um die fundamentalen Regeln zu verstehen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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