Damit die Pflanze aus Sonnenlicht ihre Energie zum Leben gewinnen kann, sind zahlreiche Hilfs- und Zwischenschritte notwendig. Leider verfügen viele Nutzpflanzen wie zum Beispiel der gewöhnliche Reis über eher ineffiziente Mechanismen, Strahlung in chemische Energie umzuwandeln. Seit Jahren versuchen Forscher daher, die Fotosynthesemaschinerie leistungsfähigerer Organismen in Nutzpflanzen zu übertragen.

Einen wichtigen Zwischenerfolg melden nun Wissenschaftler um Maureen Hanson von der Cornell University in Ithaca. Das Team konzentrierte sich auf ein Schlüsselenzym des Pflanzenstoffwechsels: "Rubisco" katalysiert einen entscheidenden Schritt bei der Produktion von Zucker aus Kohlendioxid. Es gilt als eines der häufigsten Proteine der Welt.

Rubisco taucht bei allen fotosynthetisch aktiven Organismen auf, allerdings in unterschiedlich effizienten Varianten. Hanson und Kollegen ersetzten daher die langsame Variante in Tabakpflanzen durch eine schnellere, die sie aus Cyanobakterien gewannen. Sie transferierten dazu die genetische Bauanleitung für dieses Enzym und die einiger Hilfsstoffe in die Chloroplasten-DNA der Versuchspflanzen – also in jene Zellorganellen, in denen die Fotosynthese abläuft.

Beschleunigter Stoffwechsel dank besserem Enzym

Wie sich zeigte, profitierten die Pflanzen von dem Eingriff: Sie wandelten CO2 schneller in Zucker um als naturbelassener Tabak. Damit konnten die Forscher nachweisen, dass die Übertragung zumindest im Prinzip machbar ist und die Zellen das fremde Enzym nutzen.

Sollte sich das Verfahren als praktikabel erweisen, könnte das Cyanobakterienenzym auch in nützlichere Pflanzen wie Reis oder Weizen eingeschleust werden. Laut Berechnungen könnten solche Veränderungen den Ernteertrag um 60 Prozent erhöhen. Tabak kam in Hansons Studie lediglich deshalb zum Einsatz, weil er ein verbreiteter und gut untersuchter Labororganismus ist.

Allerdings sind sich die Forscher sehr bewusst, dass es mit einer einfachen Übertragung des Fremdenzyms nicht getan ist. Der Stoffwechsel-"Boost" kommt nur dann zu Stande, wenn die Pflanzen unter künstlich stark erhöhten CO2-Konzentrationen wachsen. Der Grund dafür liegt im effizienteren Rubisco selbst: Es reagiert nicht nur mit Kohlendioxid, sondern auch mit Sauerstoff sehr schnell, wodurch der Pflanze Energie verloren geht. Cyanobakterien schließen daher das Enzym in Zellkompartimente ein und erhöhen in deren Innern die Kohlendioxidkonzentration. Dadurch verringern sie die Häufigkeit der unerwünschten Sauerstoffreaktion.

Aber auch dafür könnte es eine Lösung geben: Die Wissenschaftler um Hanson haben im Juni dieses Jahres eine Studie veröffentlicht, in der sie über die Erzeugung vergleichbarer Kompartimentstruturen in Tabak berichten. Der nächste Schritt bestehe nun darin, beide Verfahren zu kombinieren.

Außerdem planen sie, zelluläre Pumpmoleküle auszutauschen, die CO2 in die Zelle hineinleiten. Bis derartig veränderte Pflanzen auf den Markt kommen könnten, dürften nach einer optimistischen Schätzung der Forscher noch fünf bis zehn Jahre vergehen.