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Biotechnologie: Schaumgeborene Fotosynthese

Die Natur nachzuahmen und mit einer künstlichen Fotosynthese unabhängig von Pflanzen Kohlenstoff zu fixieren – daran arbeiten Forscher seit geraumer Zeit. Wissenschaftler um David Wendell von der University of Cincinnatti haben dieses Ziel nun erreicht. Sie stellten ein System vor, in dem Enzyme aus Licht und Kohlendioxid den Zucker Glukose produzieren. Dessen Grundlage ist ein stabiler Proteinschaum, den sich die Forscher bei dem Frosch Engystomops pustulosus ausborgten.

Das System besteht aus drei Komponenten, die von den US-Forschern erst jeweils separat getestet und dann mit Hilfe des Schaums zusammengefügt wurden. Der eigentliche lichtabhängige Teil der Reaktion findet an speziellen Kunststoffvesikeln statt, in die das Protein Bakteriorhodopsin Protonen hineinpumpt – eines pro Photon. Das zweite Protein in der Wand dieser Nanobläschen ist eine ATPase, die mit Hilfe des entstandenen Konzentrationsgradienten Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat zu Adenosintriphosphat (ATP) umsetzt, der universellen Energiewährung des Lebens.

Das ATP wiederum dient als Energielieferant für die eigentliche Kohlenstofffixierung. Hierbei entsteht aus Kohlendioxid der Zuckervorläufer Glycerinaldehyd-3-phosphat, der anschließend in den dritten Teil des Reaktionswegs eingespeist wird, an dessen Ende der bekannte Zucker Glukose steht.

Ein solches System stellt mehrere widersprüchliche Anforderungen an seine Umgebung: Einerseits müssen alle Reaktionspartner in ausreichender Konzentration vorhanden sein, andererseits sollte das System eine sehr große Oberfläche haben, um eine gute Gasversorgung zu gewährleisten. In dem Schaum sind alle Komponenten in den Flüssigkeitskanälen zwischen den Gasblasen konzentriert. Um zu verhindern, dass ein Schaumbildner die ATP bildenden Vesikel oder gar die Enzyme beschädigt, griffen die Forscher auf den Frosch zurück, der das Schaum bildende Protein Ranaspumin-2 produziert. Dieses Makromolekül beschädigt Biomembranen und ähnliche Strukturen nicht.

Die Resultate der Wissenschaftler sind durchaus viel versprechend. Die ATP-Synthese arbeitet mit etwa fünf Protonen, die pro synthetisiertem ATP benötigt werden, halb so effizient wie natürliche Systeme. Da die künstliche Fotosynthese allerdings keine unbrauchbaren Nebenprodukte erzeugt, schätzen die Autoren, dass ihr System auf den Hektar gerechnet etwa zehnmal so viel Biokraftstoff produzieren könne, als mit konventioneller Biomasse möglich ist.

Noch allerdings fehlt dem System derzeit die zweite wichtige Komponente der Fotosynthese: eine Quelle für die Elektronen, die bei der Kohlenstofffixierung auf das Kohlendioxid übertragen werden. Wendell und seine Kollegen setzten ein Reduktionsmittel zu, das mit der Reaktion verbraucht wurde und in der Natur durch die Oxidation von Wasser unter Bildung von Sauerstoff regeneriert wird. Und auch wenn es den Forschern gelingt, diese Lücke zu schließen, bleibt fraglich, ob sich der aufwändige Prozess wirtschaftlich umsetzen lässt. (lf)

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