Enzyme für die Kohlendioxid-Verwertung

Enzyme für die Kohlendioxid-Verwertung

Angesichts des globalen Anstiegs des Klimagases Kohlendioxid sind Technologien gefragt, die das Spurengas aus der Atmosphäre entfernen. Ansätze, CO2 als Rohstoff zu nutzen, konzentrieren sich derzeit vor allem auf chemische Umwandlungen oder auf Mikroalgen, die das Gas für ihr Wachstum nutzen. Das für zunächst fünf Jahre geförderte Tandemprojekt „Analyse und Design bakterieller Enzymkaskaden zur stofflichen Verwertung von CO2“ will dagegen ungewöhnliche Enzyme aus Bakterien nutzbar machen, um Kohlendioxid in einem zellfreien Prozess in Wertstoffe umzuwandeln.

CO2-Wolken Himmel
Zellfrei CO2 in einen Wertstoff umwandeln: dieses Ziel haben sich Magdeburger und Biberacher Forscher gesetzt.

„Der Vorteil solcher enzymatischen Umwandlungen liegt generell in den moderaten Reaktionsbedingungen und einem definierten Produktspektrum“, erläutert Hartmut Grammel von der Hochschule Biberach. „Zudem gibt es in Bakterien – im Gegensatz zu Pflanzen – eine ganze Reihe von Reaktionsabfolgen, bei denen CO2 verbraucht wird, deren Eignung für einen technischen Einsatz aber bisher nicht geprüft wurde.“ Zusammen mit seinem Kollegen Steffen Klamt vom Magdeburger Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme will Grammel deshalb mit Hilfe Isotopen-markierten Kohlendioxids und anschließender massenspektrometrischer Analyse die bakteriellen Stoffwechselnetzwerke untersuchen und die effektivsten CO2-verbrauchenden Reaktionskaskaden aufspüren. Die beteiligten Enzyme werden dann isoliert und in ein zellfreies technisches System übertragen. Die Energie für die zellfreien Enzyme soll elektrochemisch von Elektroden bereitgestellt werden, die direkt Elektronen auf die Enzyme übertragen. Fernziel ist es, mit Hilfe elektrischer Energie CO2 in eine Reihe chemischer Produkte umzuwandeln.

Die experimentellen Untersuchungen finden vorwiegend im Labor von Grammel statt. Klamt führt die theoretischen Analysen der Stoffwechselwege mittels mathematischer Modellierung durch. Das Projekt baut auf Vorarbeiten von Grammel und Klamt auf, die seit 2007 die Stoffwechselleistungen photosynthetisch aktiver Bakterien systembiologisch untersucht haben. Dabei identifizierte alternative Stoffwechselwege zur CO2-Fixierung in Bakterien bilden das Alleinstellungsmerkmal des Projektes. Auch die direkte Übertragung von Elektronen auf ein Enzym in einer Brennstoffzelle ist in Magdeburg bereits gelungen. (tg)