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Nur aus Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid Energie gewinnen. Mikrobiologen haben die Fotosynthese von Pflanzen nachgebaut. Damit könnten in Zukunft auch Medikamente, Kraftstoffe oder andere chemische Substanzen hergestellt werden.

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Weil immer mehr Kohlenstoffdioxid in der Luft ist, erwärmt sich nicht nur die Erde: Viele Pflanzen werden in Zukunft auch ein bisschen schneller wachsen. Denn aus dem klimaschädlichen Kohlenstoffdioxid gewinnen die Pflanzen ihre Energie – durch die Fotosynthese.

Doch das geht besser, sagen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. Die Mikrobiologen wollen nicht nur von den Pflanzen lernen, sondern die Fotosynthese sogar besser machen und das klimaschädliche Kohlenstoffdioxid auch für uns Menschen nutzen.

Seit über sechs Jahren arbeiten die Mikrobiologen vom Max-Planck-Institut in Marburg an neuen künstlichen Chloroplasten - den Kraftwerken der Pflanzenzellen. Hier wird das Kohlenstoffdioxid mit Licht in Energie umgewandelt.

Am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie wollen die Forscher aus Licht und Kohlendixid zum Beispiel Medikamente herstellen. (Foto: Pressestelle, Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie)
Am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie wollen die Forscher aus Licht und Kohlendixid zum Beispiel Medikamente herstellen. Pressestelle Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

Die Mikrobiologen haben mittlerweile diese Fotosynthese nicht nur nachgebaut: Ihre neu designten Chloroplasten arbeiten schon jetzt effektiver, sagt Mikrobiologe Tobias Erb vom Max-Planck-Insitut in Marburg:

“Wir haben ein Enzym, was zehn Mal schneller Kohlenstoffdioxid umwandelt als das, was in den Pflanzen vorkommt. Und wir haben einen Prozess entworfen, der 20 Prozent effizienter funktioniert. Wir sind also schneller und wir sparen noch Energie, wenn wir Kohlenstoffdioxid umwandeln”

Tobias Erb, Mikrobiologe vom Max-Planck-Insitut in Marburg
Der Mikrobiologe Tobias Erb vom Max-Planck-Insitut in Marburg ist Spezialist für Chloroplasten. (Foto: Pressestelle, Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie)
Der Mikrobiologe Tobias Erb vom Max-Planck-Insitut in Marburg erforscht die Kraftwerke von Pflanzenzellen und versucht diese - besser und effizienter als die Natur- nachzubauen. Pressestelle Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

Vision: Substanzen aus klimaschädlichen Kohlenstoffdioxid herstellen

Der künstliche Chloroplast kann vor allem das Sonnenlicht besser nutzen und damit auch mehr Kohlenstoffdioxid aus der Luft binden und in mehr Energie umwandeln. Diese Energie wollen die Wissenschaftler in Zukunft nutzen. Die künstlichen Chloroplasten sollen später chemische Substanzen, Kraftstoffe oder Medikamente herstellen. Noch ist das eine Vision. Doch erste Tests machen den Wissenschaftlern Mut.

In einem ersten Versuch konnten die künstlichen Chloroplasten einen wichtigen Baustoff für das Antibiotikum Erythromycin herstellen. Mit dem Antibiotikum werden zum Beispiel bakterielle Lungenentzündungen behandelt. Auch kleine Mengen von Duftstoffen und Vitaminen konnten die Forscher schon in ersten Versuchen in den Pflanzenzellen synthetisieren.

Mit Chloroplasten können auch Medikamente wie z.B. Antibiotika erzeugt werden. (Foto: Imago, imago images / Panthermedia)
Mit Chloroplasten können auch Medikamente wie z.B. Antibiotika erzeugt werden. Imago imago images / Panthermedia

Schon heute werden viele Substanzen mit gentechnisch veränderten Bakterien oder Hefezellen hergestellt. Doch die Bakterien und Hefezellen sind nicht so effizient. Sie nutzen viel mehr Energie fürs Wachsen und Vermehren. Sie müssen extra gefüttert werden.

Das ist bei den künstlichen Chloroplasten anders - sie brauchen nur Wasser, Mineralien, Kohlenstoffdioxid und Sonnenlicht. Der Mikrobiologe Tobias Erb sieht hier im Gegensatz zu den Bakterien einen klaren Vorteil:

“Das ist der Riesenvorteil. Momentan müssen wir Zellen in der Biotechnologie mit Energie füttern - Zucker zum Beispiel. Oder in der Chemie müssen wir eben Hitze und Energie einsetzen."

Tobias Erb, Mikrobiologe vom Max-Planck-Insitut in Marburg

Chloroplasten funktionieren bisher nur mit Teilen vom Spinat

Noch können die künstlichen Chloroplasten diesen hohen Ansprüchen aber nicht gerecht werden.
Bisher überleben die Chloroplasten noch nicht in richtigen Zellen. Die künstlichen Chloroplasten können nur lose in kleinen Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von nur 0,032 Millimetern überleben. Und selbst in diesen Wassertröpfchen sind sie nur zwei bis drei Stunden stabil.

Dass die Chloroplasten überhaupt für kurze Zeit stabil sind, liegt an bestimmten Spinatzellen. Denn diie Wissenschaftler verwenden Teile der Membranen von Spinat-Chloroplasten. Nur so bleibt ihr neuer künstlicher Chloroplast für kurze Zeit stabil.

Auch im Spinat stecken die Kraftwerke der Pflanzenzellen, so genannte Chlorplasten. (Foto: Imago, imago images/Italy Photo Press)
Auch im Spinat stecken die Kraftwerke der Pflanzenzellen, so genannte Chlorplasten. Imago imago images/Italy Photo Press

Wissenschaftler designen ganz neue Proteine

Für die Fotosynthese haben die Wissenschaftler ganz neue Eiweiße und Enzyme entwickelt, die so noch nicht in der Natur kommen. Erst mit den neuen Enzymen konnte die Fotosynthese verbessert werden. Die Wissenschaftler versuchen damit neue, komplizierte Reaktionsketten aufzubauen - immer mit der Hoffnung, dass alle Teile zueinander passen.

“Was wir versuchen zu machen, ist eigentlich das, was die Evolution macht."

Tobias Erb vom Max-Planck-Institut in Marburg

Im Vergleich zur Evolution arbeiten die Wissenschaftler viel schneller und suchen nach Alternativen, die bisher die Natur nicht gefunden hat.
Die Mikrobiologen müssen viel ausprobieren. Immer wieder gibt es neue Probleme, die gelöst und korrigiert werden müssen. Die Wissenschaftler müssen die künstlichen Chloroplasten zum Beispiel noch stabiler bekommen. Außerdem sollen die Chloroplasten noch effizienter arbeiten.

Bisher nur Grundlagenforschung

Auch wenn die künstliche Fotosynthese sogar erste Baustoffe für Medikamente nur mit Licht und Kohlenstoffdioxid hergestellt hat, noch sind die Wissenschaftler in der Grundlagenforschung. Die ersten Versuche müssten sich jetzt erst bestätigen, sagt Tobias Erb vom Max-Planck-Institut in Marburg:

"Wir brauchen sicherlich noch mehrere Jahre, vielleicht sogar Jahrzehnte, um daraus einen robusten Prozess zu erschaffen, der tatsächlich auch in der Industrie Anwendung findet”

Tobias Erb, Mikrobiologe vom Max-Planck-Insitut in Marburg
Die Forschung mit künstlichen Chloroplasten ist derzeit noch Grundlagenforschung. Bis zur serienmäßigen Verwendung auch in der Industrie wird es wohl noch ein paar Jahre dauern.  (Foto: Pressestelle, Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie)
Die Forschung mit künstlichen Chloroplasten ist derzeit noch Grundlagenforschung. Bis zur serienmäßigen Verwendung auch in der Industrie wird es wohl noch ein paar Jahre dauern. Pressestelle Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

Viel wird auch davon abhängen, ob die künstlichen Chloroplasten von der Gesellschaft akzeptiert werden. Schließlich designen die Wissenschaftler hier ganz neue Bausteine des Lebens. Mikrobiologe Tobias Erb hat hier aber wenig Bedenken:

"Ich nehme an, dass die Akzeptanz sehr viel höher sein kann - für so eine künstliche Zelle. Denn die künstliche Zelle hat zum Beispiel nicht die Zellteilung. Sie kann sich nicht teilen. Sie kann sich nicht vermehren. Und sie trägt keine Erbinformation."

Tobias Erb , MPI Marburg

Das sei bei gentechnisch veränderten Bakterien anders – hier wird auch die Erbinformation geändert. Die künstlichen Chloroplasten funktionieren nur mit Enzymen und Eiweißen - bisher nur für wenige Stunden. Die Mikrobiologen müssen noch viele Problem lösen, bis wir zum Beispiel an der Apotheke erste Medikamente aus künstlichen Chloroplasten kaufen können.

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