Durch Austausch von Molybdän gegen Wolfram
Forscher der Universität Newcastle (Großbritannien) haben Escherichia coli-Bakterien so konstruiert, dass sie CO2 abfangen und mit Wasserstoff in Ameisensäure umwandeln können. Die am 08.09.2021in Applied and Environmental Microbiology veröffentlichte Forschungsarbeit eröffnet die Möglichkeit, atmosphärisches CO2 in chemische Grundstoffe umzuwandeln. Normalerweise katalysiert ein Enzym in E. coli den umgekehrten Weg dieser Reaktion – die Produktion von H2 und CO2 aus Ameisensäure. Letztere ist in der Natur vor allem als eine Art Essigverbindung bekannt, mit der sich Ameisen gegen Fressfeinde wehren (Ameisensäure kommt vom lateinischen „formica“, Ameise).
Escherichia Coli (elektronenmikroskopische Aufnahme) – Foto © pxhere CC BY 0
Um die normale Reaktion in E. coli umzukehren, brachten die Forscher die Bakterien dazu, Molybdän, ein Metall, das normalerweise ein wichtiger Bestandteil des Enzyms ist, gegen Wolfram auszutauschen, indem sie die Bakterien in einem Überschuss an Wolfram wachsen ließen. „Dies ist relativ einfach, da E. coli den Unterschied zwischen den beiden Metallen nicht ohne weiteres erkennen kann“, so Frank Sargent, der Leiter der Studie. „Durch den Austausch von Wolfram gegen Molybdän veränderten sich die Eigenschaften unseres Enzyms, so dass es im CO2-Einfangmodus verharrte und nicht mehr zwischen CO2-Einfang und CO2-Produktion wechseln konnte“.
Die Forscher verwendeten einen speziellen Druckbioreaktor, der mit H2 und CO2 gefüllt war, um die Gase für die Mikroben verfügbar zu machen. „Es hat funktioniert – die Bakterien konnten unter Gasdruck wachsen und aus dem CO2 Ameisensäure erzeugen“, so Sargent. Der Forscher kam auf die Idee, als er in der Primärliteratur und in populärwissenschaftlichen Büchern über die Entstehung des Lebens auf der Erde las, sagte er. Vor dreieinhalb Milliarden Jahren gab es keinen Sauerstoff in der Atmosphäre, aber hohe CO2– und H2-Konzentrationen, und zelluläres Leben hatte sich 10.000 Meter unter der Meeresoberfläche zu entwickeln begonnen.
Damals hätten diese Verbindungen in die Kohlenhydrate umgewandelt werden müssen, von denen alles Leben abhängt. Das könnte durch ein Enzym geschehen, „wie das, das wir in E. coli gefunden haben, das Kohlendioxid in eine organische Säure hydriert. Wir wollten das im Labor ausprobieren. Auf der ganzen Welt sind sich die Gesellschaften darüber im Klaren, wie wichtig es ist, den Klimawandel zu bekämpfen, nachhaltige Energiequellen zu entwickeln und Abfall zu reduzieren. Die Verringerung der Kohlendioxidemissionen erfordert einen Korb verschiedener Lösungen. Biologie und Mikrobiologie bieten einige interessante Optionen“.
Sargent weiter: „Das ultimative Ziel wäre es, verschwendetes CO2 mit Hilfe von erneuerbarem Wasserstoffgas aus Biowasserstoff – wie in dieser Forschung – oder Elektrolyse, die mit erneuerbarem Strom betrieben wird, abzuscheiden und in Ameisensäure umzuwandeln. Der Schlüssel dazu ist, dass eine Mikrobe Ameisensäure als einzige Kohlenstoffquelle nutzt. Dann können wir Kraftstoff, Kunststoff oder Chemikalien herstellen. Das ist die Vision einer wirklich zyklischen Bioökonomie, in der ständig CO2 produziert, abgeschieden und wieder dem Markt zugeführt wird.“
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