Neue Technik: Forscher stellen Tausende halbsynthetischer Photosynthese-Zellen her

Fotosynthese ist zweifelsohne eine der nützlichsten chemischen Reaktionen in der Natur. Es ist also wenig verwunderlich, dass Forscher immer wieder versuchen, die natürlich Fotosynthese von Pflanzen zu imitieren. Forscher des Max Planck Instituts konnten nun eine Plattform für den automatisierten Bau zellgroßer Fotosynthese-Module entwickeln. Die resultierenden artifiziellen Chloroplasten können unter Einsatz von Lichtenergie Kohlendioxid binden und umwandeln.

Bild: MPI f. terrestrische Mikrobiologe/ Erb

Künstliche Fotosynthese dank neuer Technologien

Fotosynthese ist ein Prozess, der in der Natur über den Zeitraum mehrerer Milliarden Jahre entstand und heute nahezu alles Leben auf der Erde mit Energie und Sauerstoff versorgt. Höhere Pflanzen greifen dabei auf zelluläre Kompartimente namens Chloroplasten zurück. Künstliche Fotosynthese ist ein wichtiges Ziel für die Forschung. Denn in der Theorie ließen sich damit Kohlenstoffverbindungen wie Antibiotika oder andere Produkte nachhaltig herstellen. Alles, was dazu nötig wäre, wären Licht und Kohlendioxid.

Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsnetzwerks MaxSynBio verfolgt die Max-Planck-Gesellschaft das Ziel, fotosynthetisch aktive Zellen nachzubauen. Ein Marburger Forschungsteam rund um Direktor Tobias konnte nun eine Plattform entwickelt, die automatisiert fotosynthetisch aktive Kompartimente herstellen kann. Um dies zu verwirklichen, vereinte das Max-Planck-Team zwei neuartige Technolgien miteinander: Die Synthethische Biologie für die Konstruktion neuartiger biochemischer Reaktionsnetzwerke sowie die Mikrofluidik. Bei letzterem handelt es sich um eine Nanotechnologie für das Erzeugen zellähnlicher Strukturen aus flüssigen Materialien.

Für die Reaktion mit Licht isolierten die Forscher den Fotosynthese-Apparat aus Spinatpflanzen, der im Reagenzglas sowohl Einzelreaktionen als auch komplexere Reaktionsnetzwerke mit Licht antreiben konnte. Um die Dunkelreaktion zu verwirklichen, griff das Team auf den selbstentwickelten CETCH-Zyklus zurück. Dabei handelt es sich um ein künstliches Stoffwechselmodul aus 18 Biokatalysatoren, die Kohlendioxid effizienter umwandeln können als es in Pflanzen geschieht. Mit dieser Kombination gelang den Forschern die lichtgesteuerte Fixierung des Treibhausgases Kohlendioxid in vitro.

Automatische Herstellung im großen Stil

Anschließend ging es noch darum, das System auch innerhalb eines vordefinierten Kompartiments im Mikromaßstab zu verwirklichen und die Produktion zu automatisieren. In Zusammenarbeit mit Christophe Baret vom Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) in Frankreich entstand eine Plattform,mit der die Membranen für die Fotosynthese in zellähnliche Tröpfchen eingekapselt werden konnten.

Mit der entwickelten Mikrofluidik-Plattform können diese Tröpfchen standardisiert und zu Tausenden produziert werrden. Je nach den gewünschten Endprodukten können die Tröpfchen individualisiert werden: „ Wir können eine Vielzahl identisch ausgestatteter Tröpfchen herstellen, oder einzelne mit spezifischen Eigenschaften versehen. Diese lassen sich zeitlich und räumlich mittels Licht steuern„, erklärt Tarryn Miller, Erstautorin der Studie.

„ Mit der Plattform können wir neuartige Lösungen umsetzen, die die Natur während der Evolution nicht beschritten hat„, so Erb. Die Forscher konnten bereits zeigen, dass ihr künstlicher Chloroplast Kohlendioxid 100-mal schneller binden kann als bisherige Ansätze, die versuchten, die Fotosynthese künstlich zu imiteren. „ Langfristig könnten lebensechte Systeme in praktisch allen technologischen Bereichen Anwendung finden, einschließlich Materialwissenschaften, Biotechnologie und Medizin„, so Erb weiter. Langfristig gesehen kann mit derartigen Technologien auch die stetig steigende CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre angegangen werden.

via Max-Planck-Gesellschaft