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Tilgen von Kohlendioxid gegen den Klimawandel

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Grundlage ist ein Vortrag von Dr. Tobias Erb, MPI**)  Marburg, zur schnelleren Umwandlung von Kohlendioxid auf natürlichem Weg mit über Enzyme geschaffenen künstlichen Molekülen für den Klimawandel.

Tilgen von Kohlendioxid
Tilgen von Kohlendioxid | © LS JS

In der terrestrischen Mikrobiologie wird das Leben 2.0 neu gezeichnet. Die Photosynthese ist dazu zur Milderung des Klimawandels einzusetzen. Grundlagen werden durch die synthetische Wissenschaft geschaffen (Harnstoff, Aspirin). Rückgriff erfolgt auf die Chemie und in der Folge auf die Biologie, die sich durch begleitende umweltfreundliche Partizipien auszeichnet:

selbstoptimierend, selbstreparierend, selbstvervielfältigend.

Das Treibhausgas Kohlen-(stoff-)dioxid steht im Mittelpunkt der Forschung zum Klimawandel von Dr. Tobias Erb*). Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit das Kohlendioxid umwandelnden Mikroorganismen und ihrem Einfluss auf den globalen Kohlenstoffkreislauf und die Atmosphäre. Dabei werden die Stoffwechselwege und Biokatalysatoren in Bakterien betrachtet, die Kohlendioxid binden und umwandeln. Dieses Wissen wird im Labor angewandt, um Designer-Stoffwechselwege zur effizienten Kohlendioxid-Umwandlung zu realisieren. Individuelle Programme sind für diese Wege zu zeigen und zu bewerten. Diese gewinnen primär, wenn sie interdisziplinär aufgegriffen und im weiten Umfeld verstanden werden.

Die Umwandlung von Kohlendioxid aus der Luft in organische Kohlenstoffverbindungen bildet die Grundlage unserer Nahrungskette, unserer Energieversorgung und unserer modernen chemischen Industrie. Die Fotosynthese ist der bekannteste Prozess zur Umwandlung von Kohlenstoffdioxid. Die Mechanismen in Mikroorganismen werden mit Intensität verfolgt. Diese Wege zeigen, wie diese neuen Stoffwechselprozesse im Laufe der Evolution entstanden, wie sie funktionieren und wie wir sie zukünftig einsetzen können, um Kohlendioxid als nachhaltigen Rohstoff zu gewinnen. Damit kann der Klimawandel gebremst werden.

Der referierte Forschungsweg zeigt die bekannten Probleme auf, die beim Weltklimatreffen in Bonn akklamiert worden sind. Seit 1865 wurden aus 300 Millionen bis 2015 – 400 Millionen Teile von Kohlendioxid in der Luft nicht abgebaut. Die dafür vorgesehene Rückführung erscheint über die Landwirtschaft mit 20 Milliarden Tonnen der Umwandlung möglich. Aktuell stehen diesen 32 Milliarden Tonnen aus Brennstoffen gegenüber. Dieses Verhältnis soll mit Pflanzen (= Biomasse) über Photosynthese verbessert werden, um die steigende Konzentration in der Atmosphäre einen wesentlichen Faktor im Klimawandel zu vermindern.

Kohlenstoffdioxid könnte eine wunderbare Kohlenstoffquelle sein, wenn es der Wissenschaft gelänge, dieses Treibhausgas, das hochverdünnt in der Atmosphäre vorkommt, für Menschen nützlich umzuwandeln. Die Chemie kann bisher keine befriedigende Lösung bieten. Es gibt keinen Katalysator und kein chemisch-technisches Verfahren, das eine effiziente Bindung und Umwandlung von Kohlenstoffdioxid im Großmaßstab gegen den Klimawandel erlauben würde.

Um den deutschen Energiebedarf mit Holzpellets oder Biotreibstoff versorgen zu können, müsste die Gesamtfläche Deutschlands dreimal so groß sein. Darüber hinaus muss die wachsende Weltbevölkerung ernährt werden. Dafür müsste der globale Ernteertrag bis 2050 um mehr als den Faktor „Zwei“ erhöht werden. Deshalb ist über eine verbesserte oder alternative Photosynthese nachzudenken. Als Ansatz könnte ein Kohlendioxid umwandelndes Enzym aus Alpha Proteobakterien dienen. Dieses wird an mehreren MPI-Standorten untersucht und bindet dabei bis zu zwanzigmal schneller Kohlendioxid aus der Luft, als vergleichbare Enzyme aus Pflanzen.

In einer Arbeit in der Fachzeitschrift Science gelang es dem Forschungsteam auf Basis dieses „Turbo-Enzyms“ einen künstlichen Stoffwechselweg zur Kohlendioxid-Umwandlung zu entwerfen und diesen im Reagenzglas zusammenzusetzen (Erb, ebda.). Dieser Meilenstein auf dem Weg zur künstlichen Fotosynthese ist als Pioniertat der synthetischen Biologie zu sehen, mit deren Hilfe Wissenschaftler Mikroorganismen und minimale Zellen konstruieren können.

Ist nach diesen Überlegungen gegen das Treibhausgas Kohlendioxid „Kraut gewachsen“? Mit künstlicher Photosynthese lässt es sich vielleicht industriell entschärfen. Biologie 2.0:   Der Aufbruch der Wissenschaft ins synthetische Zeitalter ist im Labor Realität (vgl. Erb ebda.). Dies ist in weniger erfolgreichen und revolutionären Schritten möglich geworden, um den Klimawandel einzuschränken.

Als Beginn ist das Jahr 1828 durch die umfassende Veränderung der biochemischen Welt mit einem kleinen Molekül hervorzuheben. Der damals analysierte Harnstoff war nicht das erste relevante chemische Molekül selbst. Entscheidend war die Verwandlung der Chemie von einer rein analytisch-deskriptiven Disziplin mit der Definition von Materie und Elementen für den Aufbau von Verbindungen bis hin zu einer synthetisch-konstruktiven Wissenschaft. Bemerkenswert war die Tatsache, dass es einem Chemiker zum ersten Mal gelungen war, diese organische Verbindung aus nicht-organischen Ausgangstoffen (Ammoniumcyanat) herzustellen. Diese Leistung erbrachte Friedrich Wöhler, der damit die Chemie revolutionierte. Sein Name wird für die Bezeichnung und innere Verbindung von Gymnasien (z. B. in Frankfurt /M) verwandt.

Moderne Textilien, Kunstfasern, Plastik, Verbundmaterialien, Geschmacks- und Geruchsstoffe, Antibiotika und Medikamente sind Moleküle, die unseren Alltag gestalten. Sie sind nicht von Menschen geschaffen worden. Das vergangene Jahrhundert ist als das der synthetischen Chemie zu bezeichnen. Im 21. Jahrhundert werden Biologen, Chemiker, Ingenieure und Mathematiker die Biologie in die technische Anwendbarkeit führen. Dazu ist deren Vielfalt der Eigenschaften zu nutzen, um attraktive, nachhaltige Lösungen für die Zukunft zu entwickeln. Biologische Systeme sind wie im einleitenden Absatz dargestellt mit Eigenschaften ausgestattet, die technische und chemische Systeme bisher nicht besitzen (vgl. Erb ebda.).

Über eine Versuchsanordnung konnte die limitierte Photosynthese durch Zusammenführung von Kohlendioxid und Sauerstoff mit Molekülen erreicht werden, womit das Enzym RubisCo gebildet wurde. Dieses beinhaltete jedoch eine Fehlerquote von 20% bei einer Bildung von fünf Molekülen pro Sekunde. Mikroorganismen sind „Weltmeister der Biochemie“, so dass über CCR (Crotonyl-CoA) i. V. mm. CO2 über Katalyse Ethylmelanyl-CoA entwickelt werden konnte. Damit konnten 80 Moleküle pro Sekunde ohne Fehlerquote gebildet werden.

Mit dem „Allzweck-Werkzeug“ für die synthetische Biologie können über das Design der künstlichen Photosynthese verschiedene Substrate beeinflusst werden. Die Überführung des CO2 in Substrate erfolgt über kontinuierliche Vorgänge mit Zyklus-, Splitter-, Ausgabe-Modulen als modulares Basis-Design. Damit entstehen chemische Design-Kriterien der Kinetik („Geschwindigkeit“) und der Thermodynamik („Effizienz“).

In der Konsequenz stellt sich die Frage mit welchen Bausteinen künstliche Photosynthese aus etwa 50 Millionen Genen und etwa 40.000 Enzymen zu gestalten ist. Unter Einbeziehung von vorhandenen Datenbanken war es für MPI Marburg i. V. m. Heidelberg, Luzern u. a. möglich     15 Enzyme, 6 Organismen und ein umgebautes Designer-Enzym zu bilden. Der Test des Zyklus führte mit O2 und CO2 zur nicht ausreichenden Zahl von Akzeptoren pro Stunde. Die Optimierung ging von diesen „Stoffwechsel-Sackgassen“ aus, was zu metabolischem Müll im Recycling führte. Mithilfe der Photosynthese der Version 5.4 waren im Team möglich:                                17 Enzyme, 9 Organismen, 3 Designer-Enzyme. In der Folge entstanden während der Transplantation künstliche Zellen (bottom-up) und lebende Organismen (top-down).

Für Externe sei auf die Beigabe von Wasser oder ähnlichen Flüssigkeiten zu Öl verwiesen, die sich nicht miteinander vermischen. Die Wissenschaft kennt dafür die Produktion und das Beladen von Zell-Hüllen. Ziel ist dabei mit Metabolismus über beim MPI Marburg entwickelten „Cetch-Zyklus“ Signalmuster und Bewegungen zu bilden, um Zell-Hüllen mit „Leben“ zu füllen.

Die Designer-Biologie ist Realität. Antibiotika können aus CO2 hergestellt werden (z. B. Aspirin). Biotreibstoffe und Groß-Chemikalien können mit artifizieller CO2 -Fixierung über Enzyme entstehen. Die Bausteine für die alternative Photosynthese sind natürlichen Ursprungs. Ihre Kombination zu effizienten Kohlendioxid umwandelnden Prozessen ist einzigartig.

Vier Jahre Denk- und Laborarbeit stehen etwa drei Milliarden Jahren Evolution gegenüber. In der Zukunft ist die künstliche Photosynthese in eine Zelle einzubringen. Dies wird ein komplexes und schwieriges Unterfangen sein. Diese Transplantationen sollten möglich sein, wie 2016 von einer israelischen Forschergruppe realisiert, die einem Darmbakterium Teile der natürlichen Photosynthese beibrachte. In der synthetischen Biologie sollen Wege gefunden werden, um eine minimale Zelle zu erschaffen. Dazu sind entweder einer lebenden Zelle alle Bausteine zu entfernen, die sie zum Leben nicht benötigt, oder eine synthetische Zelle ist aus unbelebten Bausteinen aufzubauen. Das erste Ziel ist mit dem Genpionier Craig Venter verbunden. Das zweite Ziel hat mehrere Initiativen in Europa wie das Projekt „MaxSynBio“ der Max- Planck-Gesellschaft in Deutschland. Es soll eine Minimalzelle entstehen.

Die künstliche Photosynthese ist nur eine von vielen Ideen. Rechnende Zellen, organische Computer, lernende Oberflächen, selbstreparierende Materialien, lebende Biosensoren für die Medizin. Die Liste an zukünftigen Anwendungen in und mit künstlichen Zellen ist lang und könnte die Zukunft der Menschheit revolutionieren. Vielleicht wird es eines Tages sogar möglich sein, Minimalzellen mit Hilfe einer einfachen App, die auf biologische Datenbanken zugreift, zu programmieren. Die ultimative Demokratisierung der Biologie. Aus diesen Entwicklungen kann sich die Zukunft mit Ethik im Sinne von Max Planck entwickeln:

„Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen.“

Die Dominanz von – Molekül vs. Enzym – d. h. in einem Verfahren, ist nicht möglich. Die Designtheorie hat die Aufgabe Enzyme zu „trainieren“, um deren Aktivität zu errechnen. Hinzu kommt die Evolution der Entwicklung im Erdboden, um dort CO2 -Verbraucher zu aktivieren. Die Zukunft liegt in der interdisziplinären Umwandlung der Chemie in Biologie (= Verstärkung der Gewichtung in der Biochemie), um mit Stetigkeit das Entstehen von CO2 zu vermindern und dieses stattdessen durch Einsatz bei anderen Aufgaben zu verbrauchen bzw. umzuwandeln, um den Klimawandel zu bremsen.

Hervorzuheben sind einige der mit den Entwicklungen befassten Instituten:

US-Amerikanisches Energie-Department, die Europäische Union, Publikationen (FAZ, hr-info), Schweizerische Nationalstiftung, u. a.

*)   Dr. Erb ist Direktor für Synthetische Biochemie am MPI für  terrestrische Mikrobiologie in Marburg.

**)  Max-Planck-Institut