Essen aus Treibhausgas: Forscherteam stellt Stärke aus CO2 her

In China haben Forscher:innen erstmals aus Kohlendioxid Stärke hergestellt, indem sie die natürliche Photosynthese im Labor nachgebildet haben.

Seit den 1970er Jahren versuchen Forscher:innen, die natürliche Photosynthese von Pflanzen im Labor nachzuahmen. Es wäre äußerst praktisch, wenn wir Menschen überschüssiges CO2 in der Atmosphäre in Energieträger wie Stärke oder Zucker umwandeln könnten. So ließen sich gleich zwei Probleme anpacken – der Klimawandel und die Welternährung. Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist jüngst einem chinesischen Forschungsteam gelungen: Die Wissenschaftler:innen haben im Labor aus CO2 Stärke erzeugt. Ihre Ergebnisse liegen im Fachmagazin Science vor.

Natürliche Photosynthese

Stärke ist ein großes Molekül, das aber nur aus drei Sorten Atomen besteht: Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Im CO2 sind bereits zwei von ihnen enthalten und Wasserstoff – Bestandteil von Wasser – ist ebenfalls kein seltenes Element. Dennoch ist es alles andere als einfach, diese drei Elemente so zusammenzubauen, dass sie ein Stärkemolekül bilden.

In einer Pflanze läuft die Photosynthese folgendermaßen ab:

1. Der grüne Farbstoff Chlorophyll in den Blättern absorbiert Licht – ähnlich wie eine Solarzelle.
2. Die Energie des Lichts wandelt die Pflanze in „chemische Energie“ in Form von Adenosintriphosphat (ATP) um. Das Molekül ist auch im menschlichen Körper ein wichtiger Energieträger, der bei diversen Prozessen zum Einsatz kommt. Zudem spaltet die Pflanze mithilfe eines Teils der Lichtenergie Wassermoleküle auf. Den Wasserstoff bindet sie, den Sauerstoff gibt sie an die Luft ab.
3. Aus dem gebundenen Wasserstoff, CO2 aus der Luft und ATP stellt die Pflanze über mehrere Schritte Traubenzucker (Glukose) her.
4. Den Zucker kann die Pflanze zu größeren Kohlenhydraten umwandeln.

Die Photosynthese ist folglich ein komplexer Prozess aus vielen aufeinander folgenden Reaktionen, an denen diverse chemische Verbindungen beteiligt sind – trotz der scheinbar einfachen Ausgangsprodukte Wasser, Licht und CO2 und der ebenfalls einfachen Endprodukte Sauerstoff und Zucker. Für künstliche Photosynthese müssen Forscher:innen robuste und effiziente Ersatzprodukte für die natürlichen Materialien wie beispielsweise das Chlorophyll finden. In den letzten Jahren gab es dahingehend immer mehr Erfolge.

Stärke aus CO2

Das Team aus China verzichtet darauf, eine künstliche Pflanzenzelle nachzubilden, um mit Sonnenlicht direkt Wasser zu spalten. Stattdessen nutzt es dafür Strom aus Sonnenlicht. Den Wasserstoff lässt das Team anschließend mit CO2 reagieren und erhält daraus Methanol. Daraus stellen die Wissenschaftler:innen schließlich immer komplexere Kohlenhydrate her, bis sie bei Stärke ankommen.

Insgesamt besteht der Prozess aus elf chemischen Reaktionen, bei denen zusätzlich zahlreiche sogenannte Katalysatoren zum Einsatz kommen. Letzteres sind Stoffe, die chemische Reaktionen einleiten und beschleunigen können. Die Suche nach den passenden Katalysatoren war bei der künstlichen Photosynthese eine entscheidende Hürde. Das chinesische Team konnte sie mithilfe von modernen Computersimulationen bewältigen. Die Forscher:innen haben tausende mögliche Reaktionswege modelliert und diese am Computer durch die passenden Katalysatoren optimiert. Das sind zum Teil Chemikalien, zum Teil aber auch von Bakterien hergestellte Enzyme. Der von dem Team gefundene Reaktionsweg ist offenbar sogar um einiges effizienter als die natürliche Photosynthese.

Die gewonnene Stärke ließe sich nicht nur für Menschen- oder Tiernahrung nutzen. Stärke kommt auch in anderen Zweigen der Industrie zum Einsatz, beispielsweise als Basis für Medikamente oder als Bindemittel in Farben.

Herausforderungen bei Stärke aus CO2

Vom ersten Erfolg im Labor bis zur künstlichen Stärke im Supermarkt ist es allerdings noch ein weiter Weg. Prozesse im Labor mit winzigen Mengen der beteiligten Stoffe sind etwas ganz anderes als die industrielle Produktion. Zu den größten Herausforderungen gehört laut einem Bericht im Deutschlandfunk momentan, dass die Enzyme noch nicht robust genug sind. Außerdem ist die Herstellung von künstlicher Stärke momentan noch teurer als beispielsweise die von Maisstärke.

Weitere Projekte, die CO2 nutzen

Neben dem chinesischen Team forschen weitere Forschungsgruppen weltweit an der künstlichen Photosynthese. Bereits 2019 haben beispielsweise Wissenschaftler:innen der University of Illinois aus CO2 Kraftstoffe hergestellt. Einem deutschen Team ist 2020 ebenfalls die künstliche Photosynthese gelungen. Im Gegensatz zu den chinesischen Wissenschaftler:innen nutzt diese Gruppe das Sonnenlicht direkt zur Spaltung von Wasser. Dafür hat sie pflanzliche Chloroplasten nachgebaut – das sind die Zellbestandteile, in denen sich das Chlorophyll befindet.

Das INT vermutet, dass es nicht mehr lange dauert, bis die künstliche Photosynthese praxistauglich wird. Vor dem Klimawandel wird uns die Technologie jedoch wohl eher nicht retten. Denn bis sich die immensen CO2-Emissionen der Menschheit rückgängig machen lassen, wird noch sehr viel Zeit vergehen. Zeit, die wir nicht mehr haben, wenn die Klimaerwärmung nicht über 1,5 Grad steigen soll.

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