Sonne als Energiequelle: Forscher erzeugen künstliche Fotosynthese-Zelle

Bei der Fotosynthese gewinnen Pflanzen aus CO2 Energie. Forscher versuchen, das Prinzip anzupassen und zur Produktion von Arzneistoffen zu nutzen. Dabei half ihnen nun ein handelsübliches Gemüse.

Chloroplasten: In ihnen findet die Fotosynthese statt

Foto: Alan John Lander Phillips/ Getty Images

Wissenschaftler aus Deutschland und Frankreich haben eine Art künstliche biologische Zelle entwickelt, die Fotosynthese betreiben kann. In dem Prozess wandeln Pflanzen Wasser und Kohlendioxid (CO2) mithilfe von Sonnenlicht in Energie und Biomasse um. Anders gesagt: Sie wachsen.

Forscher arbeiten seit vielen Jahren daran, den Prozess im Labor nachzubilden. So wollen sie die Fotosynthese verbessern und langfristig aus Licht Energie für Produktionsprozesse gewinnen.

Das Problem bislang: Pflanzen nutzen zum Wachsen nur etwa fünf Prozent des Sonnenlichts. Das liegt unter anderem daran, dass das Enzym, das CO2 für die Fotosynthese aus der Luft holt, manchmal Sauerstoff statt Kohlendioxid bindet. Diese sogenannte Lichtatmung kostet die Pflanze Energie, die ihr zum Wachsen fehlt. Außerdem wird bei dem Prozess CO2 frei.

Gelänge es, das Licht effizienter zu nutzen, ließe sich etwa der Ertrag der Landwirtschaft deutlich steigern, ohne zusätzliche Flächen nutzen zu müssen (mehr dazu lesen Sie hier). Zudem könnte per künstlicher Fotosynthese CO2 aus der Luft entfernt werden. Wissenschaftler arbeiten auch daran, Wirkstoffe für Arzneimittel zu produzieren - mit Sonnenlicht als Energielieferant.

Suche im Spinat

Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und Kollegen haben die Fotosynthese nun mithilfe von Spinatzellen im Labor untersucht und angepasst. Dazu isolierten sie Membranen aus den Chloroplasten der Zellen, wo die Fotosynthese stattfindet. Die Membranen setzten die Forscher in winzige Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von nur 0,032 Millimetern ein. Sie dienten quasi als Zelle.

Um deren Funktion sicherzustellen, wurden außerdem unter anderem 16 Enzyme in das künstliche Modell integriert. Das sind Proteine, die bestimmte Aufgaben in Zellen übernehmen.

Fiel nun Licht auf die Tröpfchen, entstanden darin genau wie bei der natürlichen Fotosynthese die Energieträger ATP und NADPH. Auch bildeten die künstlichen Zellen Zucker. Es fand Fotosynthese statt.

Das reichte den Forschern aber nicht. Um die Lichtatmung der künstlichen Zellen zu vermindern, tauschten sie den Stoffwechselweg durch eine künstliche Variante aus. Diese hatten die Wissenschaftler bereits vor einigen Jahren entwickelt, berichten sie im Fachmagazin "Science" . Mithilfe des Systems lasse sich die künstliche Zelle auch darauf programmieren, beispielsweise Wirkstoffe für Arzneimittel herzustellen.

Wichtiger Schritt in Richtung künstlicher Fotosynthese

Noch steht die Forschung allerdings am Anfang. Bei der Studie ging es zunächst um die grundsätzliche Machbarkeit.

Die Ergebnisse zeigten, dass es möglich sei, natürliche und synthetische biologische Module in Tausenden von zellgroßen Kompartimenten miteinander zu verbinden, schreiben die Forscher. Auf diese Weise könnten neue fotosynthetische Einheiten geschaffen werden, die das Potenzial hätten, den natürlichen Prozess zu übertreffen.

"Das Ergebnis markiert einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur künstlichen Fotosynthese", schreiben Nathaniel Gaut und Katarzyna Adamala von der University of Minnesota in Minneapolis in einem Kommentar zu Studie . Inhaltsstoffe von Medikamenten oder wichtige Stoffe für die chemische Industrie könnten dann mit der Energie des Sonnenlichts produziert werden.

jme/dpa