Künstliche Photosynthese: Der Schritt zum Leben

Die Photosynthese gehört zu den faszinierendsten biologischen Prozessen überhaupt: Grüne Pflanzen und viele Bakterienarten ernten Sonnenenergie, um damit Kohlendioxid aus der Luft in energiereiche Verbindungen umzuwandeln. Nicht allein die Pflanzen leben von diesem essenziellen biologischen Mechanismus, sondern auch alle höheren Lebewesen, die Tiere und der Mensch. Doch die Milliarden Jahre alte Fotosynthese ist nicht besonders effizient: Das wichtigste Molekül der Photosynthese, das Enzym Rubisco, welches das Kohlendioxid (CO2) bindet, arbeitet recht langsam – und auch fehlerhaft. Der Mikrobiologe Tobias Erb vom Marburger Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie kam deshalb vor etwa fünf Jahren auf die Idee, die Photosynthese auf Trab zu bringen.

Videoportrait von Tobias Erb

Video Titel
Tobias Erb im Portrait in seinem Labor.
Prof. Dr. Tobias Erb will der Photosynthese auf die Sprünge helfen. (Foto: Element K für VolkswagenStiftung)

So ist auch Tobias Erb vorgegangen: Er hat jene Gene in das Erbgut von E. coli eingeschleust, die den Bauplan für ECR und die anderen Enzyme enthalten. Um zu beweisen, dass sich das Kohlendioxid tatsächlich in einer künstlichen Photosynthese-Kette zu größeren Molekülen weiterverarbeiten lässt, haben er und sein Team ferner Enzyme eingebaut, die über mehrere Schritte das Molekül Succinyl-CoA herstellen. Es spielt eine große Rolle beim Aufbau der Zellwand und für die Synthese wichtiger Aminosäuren. Wie sich zeigte, funktioniert in E. coli die gesamte Kette von der CO2-Aufnahme bis zum Succinyl-CoA tatsächlich. Cetch-Zyklus hat Tobias Erb seine Enzym-Kette genannt.

Zwar kann E. coli keine Energie aus Sonnenlicht gewinnen und muss – anders als grüne Pflanzen – zusätzlich mit Kohlehydraten versorgt werden. Dennoch ist der Beweis erbracht, dass sich ein kompletter künstlicher Stoffwechselweg zur Bindung von CO2 in einen lebenden Organismus einbauen lässt.

Leuchtender Kolben im Labor.
Ein Photobioreaktor mit Blaualgen (Cyanobakterien) sorgt für ideale Wachstumsbedingungen. Das Licht in den für die Photosynthese relevanten Wellenlängen erscheint für das menschliche Auge rot und blau. (Foto: Element K für VolkswagenStiftung)

Die Arbeit an E. coli sei eine Herausforderung gewesen, erzählt Tobias Erb. Nachdem er die Gene für die verschiedenen Enzyme seines Cetch-Zyklus‘ in das Erbgut des Bakteriums übertragen hatte, passierte zunächst gar nichts. Es stellte sich heraus, dass der Stoffwechsel des Bakteriums den Cetch-Zyklus teilweise umschiffte und über diese Umwege das lebenswichtige Succinyl-CoA herstellte.

[...] E. coli hatte einige Tricks auf Lager, um die Lücken in seinem Stoffwechsel zu stopfen.

Im nächsten Schritt mussten Tobias Erb und seine Kolleginnen und Kollegen daher einige Gene des Bakteriums deaktivieren, um es zu zwingen, Succinyl-CoA über den Cetch-Zyklus herzustellen. "Das war ziemlich kompliziert, weil E. coli einige Tricks auf Lager hatte, um die Lücken in seinem Stoffwechsel zu stopfen", sagt Tobias Erb. Dann aber klappte es: E. coli startete endlich mit der Succinyl-CoA -Produktion via Cetch-Zyklus.

Mit grüner Flüssigkeit gefüllte Erlenmeyerkolben auf einer Platte.
Tobias Erb und sein Team untersuchen die Photosynthese unter anderem anhand von Blaualgen (Cyanobakterien), hier als Flüssigkultur zu sehen. (Foto: Element K für VolkswagenStiftung)

Unbeirrt weitergemacht

Dass die Arbeit mit E. coli klappen würde, war anfangs ungewiss. Denn zuvor hatte es bereits Schwierigkeiten gegeben. Ursprünglich hatte Tobias Erb für sein Projekt, das in der Initiative "Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens" der VolkswagenStiftung gefördert wird, etwas anderes geplant. Er wollte den Cetch-Zyklus eigentlich in eine sogenannte Minimalzelle übertragen. Dabei handelt es sich um eine stark vereinfachte Zelle, die das J. Craig Venter Institute in Rockville im US-Bundesstaat Maryland vor einiger Zeit für die biochemische Forschung gezüchtet hatte. Ihr Erbgut und ihr Stoffwechsel sind so weit reduziert, dass die Zelle lediglich überleben und sich teilen kann.

Wie sich zeigte, ist die Minimalzelle mit dem Cetch-Zyklus aber noch überfordert. Die Zelle ist nicht direkt in der Lage, die Information aller eingeschleusten Gene abzulesen und einen vollständigen Cetch-Zyklus aufzubauen. "Deshalb entschieden wir uns parallel dazu auf E. coli als Alternative umsteigen – eigentlich einen weitaus komplexeren Organismus, dessen Stoffwechsel uns anfangs ziemliche Probleme gemacht hat."

Jetzt aber ist Tobias Erb am Ziel. Er ist gespannt, ob es in den kommenden Monaten gelingen wird, den Cetch-Zyklus tatsächlich in die Minimalzelle oder auf lange Sicht sogar in Pflanzenzellen zu übertragen. "Das wäre großartig, weil wir damit künftig möglicherweise viele hochwertige Substanzen für die chemische Industrie ohne großen technischen Aufwand synthetisieren können – einfach mit Sonnenenergie und Kohlendioxid aus der Luft." 

Wie hat sich die Forschung von Tobias Erb entwickelt? Unser Autor Tim Schröder hat Tobias Erb bereits vor gut 2 Jahren das erste Mal besucht. Hier geht es zum Artikel "Künstliche Photosynthese - besser als grün".