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Nicht nur Pflanzen, auch Bakterien betreiben Photosynthese. Im Bild: Cyanobakterienkulturen, an denen die Forscher den Stoffwechselkreislauf der Photosynthese untersuchen. Foto: Tobias Erb | MPG
Bild: Tobias Erb | MPG

Forschungsquartett | Synthetische Photosynthese

Der künstliche Turbo-Organismus

Die Photosynthese ist der wichtigste biologische Prozess auf der Erde. Forscher vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie wollen die Natur noch effizienter machen.

Die Photosynthese ist die Grundlage unseres Lebens

Die Photosynthese bildet die Existenzgrundlage für fast jedes Ökosystem auf der Erde. Mit ihrer Hilfe produzieren Pflanzen und Bakterien an Land und in den Ozeanen Biomasse und Energie. Dabei wird in einer bestimmten Abfolge von Reaktionen frei verfügbares Kohlendioxid (CO2) durch die Energie des Sonnenlichts in verschiedene Stoffe umgewandelt.

Wir wollen von der Natur lernen, wie sie das machen kann. Das Problem an der Natur ist, dass die Pflanzen relativ langsam sind. Und dass sie natürlich ein komplexes Gemisch machen: Biomasse, also im Prinzip Zellulose. Und das ist natürlich nicht etwas, das wir im täglichen Gebrauch benutzen können. – Dr. Tobias Erb

Aus Licht und Luft Energie erzeugen – und Rohstoffe

Schon seit langem versuchen Forscher die Photosynthese bis ins Detail zu verstehen. Bereits viermal ist der Nobelpreis für Chemie an Forscher vergeben worden, die wichtige Schritte des Prozesses untersucht hatten. Denn eine künstliche Photosynthese könnte die Menschheit klimaneutral mit Energie versorgen. Und mit Rohstoffen. Immerhin nutzen Pflanzen den Prozess hauptsächlich, um Biomasse zu erzeugen.

Es wäre denkbar, Reaktionswege zu finden, die der Photosynthese ähneln, aber statt Zellulose andere Dinge produzieren. Etwa Energieträger wie Dieselkraftstoff. Oder Antibiotika.

Im Labor dreht sich der synthetische Kreislauf bereits

Am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg ist es Wissenschaftlern um Dr. Tobias Erb nun gelungen, einen künstlichen Stoffwechselkreislauf herzustellen. Dieser Kreislauf ähnelt der Photosynthese: Ein Set aus 17 verschiedenen Enzymen steuert eine Kettenreaktion, die CO2 aus der Luft fixiert und nach mehreren Zwischenschritten in Glyoxalsäure umwandelt. Die einzelnen Bauteile stammen aus Bakterien und Pflanzen, aber auch ein Enzym aus der menschlichen Leber arbeitet im Set. Die Glyoxalsäure kann wiederum verwendet werden, um andere Stoffe herzustellen.

Dr. Nina Cortina und Dr. Tobias Erb - vor dem Massenspektrometer. Foto: Thomas Hartmann / MPG

vor dem Massenspektrometer. Foto: Thomas Hartmann / MPG
Augenblicklich läuft die Photosynthese der Marburger Forscher noch in kleinen Mengen ab. Die Produkte des Kreislaufs analysieren die Forscher mit Massenspektrometern.Dr. Nina Cortina und Dr. Tobias Erb

Das Ziel ist der synthetische Organismus

Der Prozess der Marburger Forscher läuft unter Zuführung von chemischer Energie bereits im Reagenzglas ab. Aber die Wissenschaftler haben sich noch ein ambitionierteres Ziel gesteckt: Eines Tages soll der Kreislauf in lebenden Organismen arbeiten. Das könnten genetisch veränderte Algen oder Bakterien sein, die in Tanks aus CO2 bestimmte Rohstoffe produzieren.

Aber es könnten auch synthetisch erzeugte Organismen sein. Denn das MPI für terrestrische Mikrobiologie ist Teil des MaxSynBio-Netzwerks der Max-Planck-Gesellschaft. Unter diesem Kürzel arbeiten neun Max-Planck-Institute zusammen mit der Universität Erlangen-Nürnberg an einem künstlichen Organismus. Dieser könnte dann mit Stoffwechselwegen wie dem aus Marburg ausgestattet werden.

Dr. Tobias Erb - leitet die Forschungsgruppe "Biochemistry and Synthetic Biology of Microbial Metabolism". Foto: Thomas Hartmann / MPG

leitet die Forschungsgruppe „Biochemistry and Synthetic Biology of Microbial Metabolism“. Foto: Thomas Hartmann / MPG
Am Ende des Tages soll dieser Zyklus, der jetzt im Reagenzglas arbeitet, in eine biologische Umgebung kommen. Das heißt, wir würden sehr gerne sehen, dass dieser Zyklus in Algen oder in Bakterien arbeitet.Dr. Tobias Erb

Redaktion: Mike Sattler

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