Ein neuer Ansatz zur CO₂-Umwandlung

Weltweit steigen die Kohlendioxid-Emissionen weiter an, während natürliche Prozesse nicht mithalten können, dieses Treibhausgas aus der Atmosphäre zu entfernen. Ingenieurswissenschaftler und synthetische Biologen sehen daher in der direkten Umwandlung von CO₂-Abgasen in nützliche Produkte eine vielversprechende Lösung. Ein international kooperierendes Forschungsteam hat nun einen neuartigen künstlichen Stoffwechsel entwickelt, der genau dieses Problem adressiert.

Konventionelle biologische Systeme, etwa Mikroorganismen, sind in ihrer Effizienz stark begrenzt. In lebenden Zellen laufen zahlreiche Stoffwechselprozesse parallel ab, die sich gegenseitig beeinflussen. Stoffwechselwege, die Kohlendioxid binden können, sind oft langsam, schwer steuerbar oder für industrielle Anwendungen ungeeignet. Der neue Ansatz mit dem Namen „ReForm“ umgeht diese Einschränkungen, indem er vollständig außerhalb lebender Zellen arbeitet und so gezielt auf maximale Effizienz ausgelegt werden kann.

Wie der künstliche Stoffwechsel funktioniert

Im Zentrum des ReForm-Konzepts steht das Molekül Formiat, ein einfaches Kohlenstoff-Zwischenprodukt, das sich vergleichsweise leicht aus CO₂ herstellen lässt, etwa durch elektrochemische Prozesse. Ausgehend von diesem Molekül entwickelten die Forschenden eine künstliche Reaktionskette, die aus sechs exakt aufeinander abgestimmten enzymatischen Schritten besteht.

Über diese Reaktionskaskade wird Formiat in Acetyl-CoA umgewandelt, ein zentrales Molekül der Biochemie. In natürlichen Organismen dient Acetyl-CoA als Ausgangspunkt für den Aufbau zahlreicher lebenswichtiger Substanzen. Genau diese Rolle macht es auch für die industrielle Chemie besonders attraktiv, da sich aus ihm eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte herstellen lässt.

Der entscheidende Unterschied zu natürlichen Stoffwechselwegen liegt darin, dass dieser Prozess bewusst neu entworfen wurde. Die eingesetzten Enzyme stammen aus unterschiedlichen biologischen Quellen, wurden gezielt kombiniert und teilweise verändert, um einen Stoffwechselweg zu schaffen, den es in der Natur nicht gibt. Da alle Reaktionen außerhalb von Zellen stattfinden, lassen sich Temperatur, Konzentrationen und Reaktionsbedingungen präzise kontrollieren.

Nachweis durch die Herstellung eines Industrieprodukts

Um zu zeigen, dass der künstliche Stoffwechsel nicht nur theoretisch funktioniert, nutzte das Forschungsteam ihn zur Herstellung von Malat. Diese organische Säure wird unter anderem in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Kunststoffindustrie eingesetzt und gilt als etabliertes Industrieprodukt.

Die erfolgreiche Produktion von Malat belegt, dass der neue Stoffwechselweg nicht nur CO₂-basierte Zwischenprodukte verarbeiten kann, sondern auch tatsächlich marktrelevante Chemikalien liefert. Darüber hinaus lässt sich das System flexibel anpassen: Neben Formiat können auch andere einkohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe wie Methanol oder Formaldehyd eingespeist werden.

Potenzial für nachhaltige Ingenieurslösungen

Der entwickelte künstliche Stoffwechsel steht exemplarisch für einen neuen ingenieurwissenschaftlichen Ansatz im Umgang mit Kohlendioxid. Statt CO₂ lediglich als Abfall oder Problem zu betrachten, wird es gezielt als Rohstoff in einen technischen Stoffkreislauf integriert. Langfristig könnten solche Systeme dazu beitragen, industrielle Abgase in Chemikalien, Materialien oder sogar Energieträger umzuwandeln.

Gleichzeitig betonen die Forschenden, dass sich der Ansatz derzeit noch im Laborstadium befindet. Fragen der Skalierung, der Energieeffizienz, der Kosten und der langfristigen Stabilität der Enzyme sind noch offen. Erst wenn diese Herausforderungen gelöst sind, könnte der künstliche Stoffwechsel den Sprung in industrielle Anwendungen schaffen.