Künstliche Fotosynthese: Besser als grün

Vor rund drei Milliarden Jahren hatte die Natur eine ziemlich gute Idee. Damals entwickelte sich in Cyanobakterien einer der wichtigsten Prozesse überhaupt – die Fotosynthese. Den Bakterien gelang es erstmals, Sonnenenergie zu nutzen, um damit Kohlendioxid aus der Luft zu energiereichen Zuckern zu verarbeiten.

Die Fotosynthese ist nicht besonders effizient. Man kann es besser machen.

Im Laufe der Evolution ging die Fotosynthese irgendwann auf die Pflanzen über – und wurde schließlich zum Erfolgsmodell; heute betreiben alle grünen Pflanzen Fotosynthese. Ohne die Fotosynthese wäre höheres Leben auf Erden nicht denkbar, denn die pflanzliche Biomasse ist die Nahrungsgrundlage der Tiere und auch des Menschen. "Evolutionär betrachtet, ist die Fotosynthese ein ausgesprochen erfolgreicher biochemischer Prozess", sagt Tobias Erb, "andererseits ist sie nicht besonders effizient. Man kann es besser machen."

Tobias Erb in a greenhouse.
Tobias Erb ist Mikrobiologe und hat die Fotosythese im Labor neu erfunden. (Foto: Thekla Ehling für VolkswagenStiftung)

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 Fotosynthese hält sie bis heute an einem Milliarden Jahre alten Eiweiß fest, das gewissermaßen das Arbeitspferd der Fotosynthese 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 Fotosynthese erheblich.

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 Fotosynthese für die Optimierung quasi neu zu erfinden und dabei Hochleistungsenzyme wie ECR aus den Purpurbakterien zu nutzen – eine künstliche Fotosynthese 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. 

The research team
Sie arbeiten in Marburg am BRILIANCE-Projekt (von links): Roland Lill, Magda Rakwalska-Bange, Tobias Erb und Karen Chan. (Foto: Thekla Ehling für VolkswagenStiftung)

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 Fotosynthese brauchen"; darunter Energie-wandelnde Eiweiße, die ursprünglich aus Pilzen stammen, Enzyme aus der Leber des Menschen oder aus dem Darmbakterium Escherichia coli. 

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 Fotosynthese starten und eine gewisse Zeit lang betreiben.

Wir stellen uns vor, künftig mithilfe der künstlichen Fotosynthese aus Kohlendioxid verschiedene Produkte herzustellen.

"Wir stellen uns vor, künftig mithilfe der künstlichen Fotosynthese 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 Fotosynthese 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.

Tobias Erb works in the laboratory.
Bevor diese in die Minimalzelle eingeschleust werden, kontrolliert Tobias Erb die Gene im Blaulicht. (Foto: Thekla Ehling für VolkswagenStiftung)

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 Fotosynthese 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 Fotosynthese in einer Minimalzelle in lebende Materie verwandelt werden.

blue-green algae (cyanobacteria)
Flüssigkulturen von Blaualgen (Cyanobakterien), deren natürliche Photosynthese die Versuche des Teams um Tobias Erb zur künstlichen Photosynthese inspiriert haben. (Foto: Thekla Ehling für VolkswagenStiftung)

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. 

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 Fotosynthese noch weit ist: Die Aussichten sind vielversprechend.

Mit ihrer inzwischen beendeten Initiative "Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens" unterstützt die Stiftung wissenschaftlich spannende und potenziell innovative Vorhaben an der Schnittstelle zwischen Natur- und Lebenswissenschaften. 

Der Artikel entstammt der aktuellen Ausgabe des Impulse-Magazins der VolkswagenStiftung zum Thema "Künstliche Intelligenz". Das Magazin können Sie hier herunterladen oder kostenlos bestellen per E-Mail an rosengart-kamburis(a)volkswagenstiftung.de.