Die grüne Revolution

Eine über 100 Jahre alte Idee

Doch soweit ist es noch nicht. Gut 100 Jahre, nachdem der italienische Chemiker Giacomo Ciamician 1912 empfohlen hat, eine künstliche Photosynthese als saubere Alternative zur Verbrennung von Kohle zu nutzen, ist die Sonne immer noch eine weitgehend unerschlossene Energiequelle. Heutige Solarzellen, die meist auf Silizium basieren, sind teuer und nicht besonders effizient. Außerdem verwandeln sie Sonnenlicht ausschließlich in elektrischen Strom, der sich nicht direkt speichern lässt.

Dagegen könnte ein System mit künstlicher Photosynthese – eine sogenannte photoelektrochemische Zelle, die den natürlichen Prozess der Umwandlung von solarer in chemische Energie imitiert – eine schier unerschöpfliche und zudem kostengünstige Quelle für saubere Treibstoffe und andere Wertstoffe darstellen. Und diese Stoffe würde sie in speicherbarer Form liefern. Doch dafür müsste das System zwei Dinge leisten können: Licht einsammeln und Wassermoleküle aufspalten.

Biologische Lichtmaschinerie

Pflanzen schaffen das mithilfe des Blattgrüns Chlorophyll – eines natürlichen Farbstoffs, der in unterschiedlichen Varianten in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien vorkommt. Gemeinsam mit einigen Proteinen und Enzymen verwandelt er Kohlendioxid, Sonnenlicht und Wasser in Zucker, mit dem Pflanzen Kohlenhydrate produzieren und ihre Zellen bilden. Die biologische Lichtmaschinerie verarbeitet die Zucker-Moleküle unter anderem zu Fetten. Als „Abfallprodukt“ wird dabei Sauerstoff freigesetzt – ein Gas, für das die ersten Lebewesen, die einst die Erde bevölkerten, keine Verwendung hatten. Denn sie nutzten einen sogenannten anaeroben Stoffwechsel, für den kein Sauerstoff benötigt wird.

Die starke Anreicherung von Sauerstoff in der Erdatmosphäre führte daher vor rund 2,4 Milliarden Jahren zu einem großen Artensterben, manche Wissenschaftler sprechen von der großen Sauerstoff-Katastrophe. „Doch Organismen, die das Sauerstoff-Gift neutralisieren konnten, profitierten von dem höheren Energiegewinn aus der Photosynthese“, sagt Mikrobiologe Erb.

Der biochemische Prozess verläuft in zwei Schritten. Beim ersten Akt ist das Sonnenlicht die treibende Kraft. Mit seiner Hilfe werden chemische Energie und Zwischenprodukte gebildet, die dann im zweiten Akt zum Einsatz kommen. Der läuft fast ohne Licht ab, weshalb ihn die Biologen auch Dunkelreaktion nennen. Während dieser Reaktion geschieht das Wunder, das alles irdische Leben antreibt.

Der Antrieb des Lebens

Es ist Zeit, unter die Motorhaube der Chloroplasten zu blicken – der Zellorganellen, in denen die Lichtmaschinerie steckt: Im Dunkeln arbeitet darin ein Enzym, das „Rubisco“ genannt wird. Die Abkürzung steht für eine chemische Verbindung, die einem Zungenbrecher gleicht: Ribulose 1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase. Experten vermuten, dass Rubisco das auf der Erde häufigste wasserlösliche Protein ist. Der biochemische Katalysator ist ein wahrer Künstler. Er stellt den zentralen Antrieb für das irdische Leben dar. „Rubisco ist der Motor, der CO2-Moleküle in Kohlenhydrate umwandelt“, erläutert Erb.

Allerdings: Rubisco erledigt seine Aufgabe recht behäbig und macht dabei Fehler. Zuerst bindet sich das Enzym an Kohlendioxid aus der Luft , das die Pflanze für ihr Wachstum benötigt. Danach, während der Dunkelreaktion, produziert es Kohlenhydrate, die die ganze Erde mit Energie und Biomasse versorgen. Doch im Schnitt jedes vierte oder fünfte Mal macht das Rubisco-Enzym einen Fehler: Statt Kohlendioxid bindet es sich dann plötzlich an Sauerstoff und verwandelt ihn in toxische Stoffe – eine Art Atmung, die von Fachleuten als Photorespiration bezeichnet wird.

Aufwendige Fehlerkorrektur

Um die Giftstoffe wieder loszuwerden, aktiviert die Pflanze neutralisierende Prozesse. Das kostet sie Energie und schwächt ihr Wachstum. „Die Photorespiration verringert die Effizienz von Rubisco um 20 Prozent“, sagt Erb. Rubisco steckt somit in einem ständigen Konflikt: Entweder fixiert es CO2 schnell, macht dabei aber viele Fehler. Oder es reduziert die Photorespiration, wird dadurch aber auch langsamer. Unter Fachleuten ist diese Zwickmühle als „Rubisco-Dilemma“ bekannt. Auch wenn eine Pflanze ausreichend mit Wasser und Phosphat versorgt wird, limitiert die fehlerträchtige Dunkelreaktion ihre Effizienz.

Die natürliche Photosynthese verliefe also effektiver, wenn sich solche Fehlreaktionen reduzieren oder gar ausmerzen ließen. Ein Teil der Photosynthese-Forschung zielt deshalb darauf ab, das Rubisco umzubauen.

Ein solcher Umbau gelang 2019 US-Forschern der University of Illinois in Chicago und des US Agricultural Research Service. Um dem Rubisco-Enzym auf die Sprünge zu helfen, setzten sie auf Tabakpflanzen, die sie genetisch modifizierten. Über das Resultat der Freilandversuche berichtete das Team um den Pflanzenphysiologen Paul South: Unter realen Anbaubedingungen lieferten die genmodifizierten Pflanzen einen rund 40 Prozent höheren Ertrag als ihre unbehandelten Verwandten.

Die Agrarforscher experimentieren mit Tabak als Modellpflanze, weil dessen Genetik gut verstanden ist und sich die Pflanze daher genetisch leicht modifizieren lässt. Paul South bezeichnet Tabak als „die Labormaus der Pflanzenwelt“. Im nächsten Schritt wollen der Forscher aus Chicago und sein Team ihre Methoden auf Agrarpflanzen übertragen, die für die Ernährung der Weltbevölkerung eine zentrale Rolle spielen: auf Tomaten, Soja, Kartoffeln, Reis und Getreide.

Hilfe für Kleinbauern

Die Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung fördert gemeinsam mit weiteren Institutionen die Agrartechnik zur Steigerung der Pflanzenproduktivität unter dem Slogan „Realizing Increased Photosynthetic Efficiency“, abgekürzt RIPE. Das Ziel von RIPE ist es, vor allem stark vom Klimawandel betroffene Menschen an den Forschungsergebnissen teilhaben zu lassen, zum Beispiel Kleinbauern in Regionen südlich der Sahara oder in Südostasien. „Ließe sich die Photorespiration in den Pflanzen unterdrücken, könnten wir allein mit der Landwirtschaft, die im Mittleren Westen der USA betrieben wird, ungefähr 200 Millionen Menschen zusätzlich ernähren“, ist Donald Ort überzeugt, ein Forscherkollege von Paul South an der University of Illinois.

Um das Potenzial dieser Entwicklungen auszuschöpfen, verfolgen die Agrarforscher drei Ansätze. Paul South und seine Kollegen modifizieren die über Zellorganellen hinwegreichende Photorespiration so, dass alternative Entgiftungsprozesse, die sich auf Chloroplasten beschränken, wirksam werden. Das verringert den Energieaufwand der Pflanze in diesem Prozess. Dem Forscherteam aus Illinois gelang es, den komplexen Stoffwechselweg der Photorespiration zu vereinfachen. Die Pflanze kann so mehr Energie in das Wachstum von Wurzeln, Stängeln, Blättern, Blüten und Samen investieren.

Einen anderen Weg hat Krishna Niyogi eingeschlagen, der wie South am RIPE-Projekt mitarbeitet. Der Pflanzenbiologe von der University of California in Berkeley setzt bei einer weiteren Schwäche der Photosynthese an: ihrer Empfindlichkeit gegenüber starker Sonnenstrahlung. Manche Agrarpflanzen, die zu viel Sonne abbekommen, strahlen bei der sogenannten Photoprotektion schädliche überschüssige Lichtenergie ab. Diese Schutzreaktion entzieht der Photosynthese Energie. Dadurch wachsen die Pflanzen langsamer. Selbst wenn Wolken die Sonne verdecken, hält die Wärmeabstrahlung noch einige Minuten lang an. „Die Photosynthese wird dadurch um rund ein Fünftel gedämpft“, sagt Krishna Niyogi.

Rückenwind für die Reaktion

Der Forscher und sein Team konnten Tabakpflanzen soweit genetisch modifizieren, dass diese Schutzreaktion schneller wieder abgeschaltet wird, wenn sie nicht mehr nötig ist. „Das steigert die Aufnahme von Kohlendioxid“, erklärt Niyogi. Die Masse der Pflanzen bei fluktuierendem Licht wächst so um rund 15 Prozent. Der Berkeley-Forscher ist überzeugt, dass der genetisch induzierte Lichtschutz in allen blühenden Agrarpflanzen funktioniert.

Ein Schutzschild gegen Sauerstoff

Ein dritter Kniff läuft darauf hinaus, die Photorespiration, bei der das Protein fälschlicherweise Sauerstoff statt Kohlendioxid verarbeitet, direkt zu verhindern. Dafür setzen die RIPE-Forscher um Paul South den Tabakpflanzen Gene, die sie zum Beispiel aus Cyanobakterien oder Grünalgen gewonnen haben, für bestimmte CO2-konzentrierende Mechanismen ein. Sie helfen, CO2 um das Rubisco-Enzym herum zu konzentrieren. Das verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sich Sauerstoff-Moleküle in der Nähe des Enzyms aufhalten.

Doch die genetische Optimierung der Photosynthese etwa auf Kartoffeln oder Sojabohnen zu übertragen, wird nicht einfach sein. Denn Agrarpflanzen seien generell schwieriger genetisch zu verändern als Tabak, betont Raquel Carvalo, Pflanzengenetikerin an der britischen York University. Zudem ist noch unbekannt, wie sich Pflanzen mit genetisch verbesserter Photosynthese gegenüber Pestiziden oder Herbiziden verhalten – oder auf Krankheitserreger und Schädlinge reagieren. Und es wird wahrscheinlich schwerfallen, die kritische Öffentlichkeit für diese Agrartechnik zu gewinnen.

Den Mikrobiologen Erb kümmern solche Probleme nicht. Er ist entschlossen, die Photosynthese, wie sie die Natur praktiziert, weitgehend links liegen zu lassen. Anders als die RIPE-Forscher verändern Erb und sein Team weder das Rubisco-Enzym genetisch noch greifen sie in die Stoffwechselwege der Pflanze ein. Stattdessen versuchen die Marburger Forscher, Photosynthese mit künstlichen Stoffwechselvorgängen zu betreiben, die auf eine möglichst hohe Effizienz getrimmt sind. „Damit sollten Steigerungen des Ertrags von 60 Prozent möglich sein“, erwartet Erb.

Die Vorstellung ist kühn, das Ziel ehrgeizig. Doch durch die Neukonzeption der Photosynthese sind die Forscher kaum durch die Natur eingeschränkt.

Suche in der Tiefsee

Für seinen künstlichen Stoffwechsel sucht sich Erb Bausteine zusammen, mit denen sich schnell, effizient und energetisch günstig CO2-Moleküle in passende Bausteine der Zelle umsetzen lassen. Die natürliche Photosynthese kennt nur wenige Wege, um CO2-Moleküle zu binden. Das Marburger Team will weitaus mehr Varianten schaffen. Die Bausteine dafür haben die Forscher in Lebewesen aus der Tiefseegefunden: extrem hitze- oder kälteresistenten Bakterien.

Sie durchforsteten dafür Datenbanken nach aussichtsreichen Kandidaten – bevorzugt nach solchen, die ein anderes Molekül an sich binden können. Denn diese Enzyme sind durch Veränderungen am ehesten dazu zu bringen, CO2-Moleküle festzuhalten. Die Forschungsfrage lautete: „Wie können wir sie verschalten, um ein optimales Netzwerk für einen Stoffwechsel zu bauen, der die langsame Dunkelreaktion ersetzt und Kohlenhydrate aufbaut?“ Erb ist überzeugt: „Damit müsste es möglich sein, die Natur zu übertreffen.“

Riesige Auswahl an Enzymen

Für die Suche steht dem Mikrobiologen ein riesiger biologischer Werkzeugkasten zur Verfügung: Rund 100 Millionen Gene wurden bislang sequenziert und sind über Datenbanken zugänglich. Von etwa 50.000 Enzymen sind die Eigenschaften bekannt, und sie könnten als potenzielle Biokatalysatoren dienen.

Schon nach kurzer Zeit hatten Erb und sein Team sieben verschiedene Stoffwechselprozesse konzipiert. Daran beteiligt waren bis zu 20 Enzyme. Die Wahl der Wissenschaftler fiel am Ende auf die einfachste Variante. Sie basiert auf 17 Enzymen, die neun verschiedenen Organismen entstammten.

Drei Jahren lang experimentierten der Mikrobiologe und sein Team, um im Reagenzglas den sogenannten CETCH-Zyklus (Crotonyl-coenzyme A (CoA)/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA), wie sie diese spezielle künstliche Photosynthese nannten, zu realisieren. Zunächst bestimmten Strukturbiologen die dreidimensionale Struktur der Bausteine. Danach wurde in Experimenten getestet, ob sie alle gut miteinander kooperieren. „Wenn das nicht klappte, tauschten wir ein Enzym aus oder veränderten es“, berichtet Erb. Diese Prozedur nennen die Wissenschaftler „Enzym-Engineering“.

Als biologische Lichtmaschine verwendete Tobias Erb Chloroplasten – bestimmte Funktionseinheiten von Zellen – aus Spinat mitsamt ihren Rubisco-Enzymen. „Der frische Spinat wurde erst im Küchenmixer zerkleinert, dann gefiltert und zentrifugiert“, erklärt der Forscher. Anschließend wurden die Chloroplasten mit den anderen 17 Enzymen im Reagenzglas vermischt und mit einer Leuchtdiode bestrahlt, die als künstliche Sonne diente.

Damit gelang es dem Max-Planck-Team, Kohlendioxid in winzigen Mengen in Kohlenhydrate umzuwandeln. Für die Bindung von Kohlendioxid aus der Luft war das der erste künstliche Stoffwechsel (Metabolismus) – ein Durchbruch, zumindest im Reagenzglas.

Der letzte Schritt

Allerdings fehlt zum Erfolg noch der entscheidende zweite Schritt: die künstliche Photosynthese in Zellen zu übertragen. Dazu müssen die Forscher ihren künstlichen Metabolismus in eine natürliche oder künstliche Zelle einbringen. Denn nur Zellen mit ausreichend großer DNA – dem Träger der Erbinformation – könnten so komplexe Reaktionsnetzwerke am Laufen halten, sich fortpflanzen und damit vielleicht auch in industriellen Mengen vermehren. „Unser Ziel ist, den künstlichen Metabolismus in eine lebende Zelle oder eine künstliche ‚Quasizelle‘ einzubauen“, sagt Tobias Erb. Zu den Kandidaten gehören sogenannte Minimalzellen des Genom-Pioniers Craig Venter. Dessen abgespeckte Zellen im Miniaturformat enthalten in ihrer DNA gerade so viele Gene, dass sie überleben und sich vervielfältigen können.

Ungeklärt ist, ob lebende Zellen es mitmachen würden, wenn ihnen neue künstliche Gene eingesetzt werden, die dann die Enzyme für die künstliche Photosynthese produzieren. Je komplexer so ein Netzwerk ist, desto schwieriger wird es für die Zelle. Es ist nicht auszuschließen, dass die manipulierten Zellen Gifte erzeugen oder sogar absterben. „Beim Computer kann man auch nicht die Software verändern, ohne dass man genau weiß, was man tut“, gibt Erb zu bedenken.

Bläschen als künstliche Zelle

Eine zweite Option könnten künstliche Zellhüllen sein: geschlossene Bläschen ganz ohne DNA. An solchen Gebilden, kaum einen zehntel Millimeter groß, arbeiten derzeit Joachim Spatz und Petra Schwille am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg. Die Zellforscher entwickeln Bläschen mit einer künstlichen Hülle aus verschiedenen Fettsäuren, sogenannte Lipidvesikel.

Diese Pseudozellen sind mechanisch und chemisch stabil genug, um sie mit künstlichen Chloroplast-Membranen, die die Lichtreaktionen betreiben, und bestimmten Enzymen für die Photosynthese zu füllen. Tobias Erb und seinem Team gelang dieses Experiment vor Kurzem zum ersten Mal. Wie die Forscher im April 2020 im Fachmagazin Science berichteten, füllten sie ihre synthetische Stoffwechsel-Mixtur aus 17 Enzymen in zellgroße Kapseln und bestrahlten diese dann mit Licht. Es kam zum gewünschten Effekt: „Unsere Zellen wandelten über 90 Minuten lang Kohlendioxid in Zuckermoleküle um“, berichtet Erb. Einzelne chemische Reaktionen binden Kohlendioxid mehr als 1000-mal so schnell wie in früheren Experimenten. Das sieht Erb als Beleg dafür an, dass es im Prinzip möglich ist, ein synthetisches Netzwerk zur Umwandlung von Kohlendioxid in künstlichen Zellen zu betreiben – ein weiterer wichtiger Schritt zur Realisierung einer künstlichen Photosynthese.

Das Ziel: Einbau in lebende Zellen

Die Mixtur aus natürlichen und synthetischen Biomodulen in solchen Zellen, so berichtet das Forscherteam, zeige bereits „lebensähnliche Funktionen“. Das eröffnet auch die Möglichkeit zum Einbau weiterer Lebensfunktionen: Selbstreparatur und Selbstreproduktion. Und das weist den Weg, um solche künstlichen Reaktionssysteme auch in lebende Zellen einbauen zu können.

Das könnten Zellen von Pflanzen, Bakterien oder Algen sein. Damit würden die maßgeschneiderten, effizienten Stoffwechselprozesse die Möglichkeit schaffen zur Produktion von organischen Substanzen in großem Maßstab, etwa von Medikamenten, Impfstoffen oder Biokraftstoffen.

In Marburg wird das Einfügen in lebende Zellen bereits ausprobiert. Die erste künstliche Photosynthese mit 17 Enzymen haben die Max-Planck-Forscher inzwischen mit 60 weiteren Enzymen zusammengeschaltet und daraus Grundbausteine für die Produktion des Antibiotikums Erythromicin produziert. Die Zukunft könnte in einer künstlichen Photosynthese liegen, die je nach Bedarf für individuelle Anforderungen immer wieder neu komponiert wird: Mit modularen Systemen würde dann zuerst in einer künstlichen Dunkelreaktion nur ein bestimmtes Zwischenprodukt erzeugt, das in einem anderen Modul zu den gewünschten Stoffen weiterverarbeitet wird.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…