Mikrobiologische Forschung 16.05.2023, 07:00 Uhr

Wie sich CO2 mit Ameisensäure nachhaltig nutzen lässt

Damit sich der Klimawandel aufhalten lässt, muss der Mensch den CO2-Gehalt in der Atmosphäre senken. Forschende gehen dabei unterschiedliche Wege. Einer davon dreht sich um die Fixierung von CO2. Hier ist nun erstmals ein Durchbruch gelungen: Ameisensäure kann dabei einen wichtigen Beitrag leisten.

Tests mit Ameisensäure ergaben einen Erfolg bei der CO2-Fixierung

Ameisensäure kann dabei helfen, kohlenstoffneutral zu werden. Dafür wird es synthetisch aus Kohlendioxid hergestellt.

Foto: Max-Planck-Institut

„Ameisensäure ist eine Kohlenstoffquelle mit Zukunft“, sagt Maren Nattermann, Erstautorin der Studie zu einem neuen Weg der CO2-Fixierung dank eines künstlichen Stoffwechselweges. Nattermann gehört zum Team von Tobias Erb, Professor für Biologie und Leiter des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie. Er forscht mit seinem Team daran, wie sich die Natur mit ihrem gesamten Baukasten dafür nutzen lässt, neue Wege der CO2-Fixierung zu entwickeln. Fixierung bedeutet in diesem Fall: Das Kohlendioxid wird aus der Luft entfernt und dauerhaft gebunden, damit es keine schädlichen Auswirkungen mehr hat.

Innovatives Verfahren könnte CO2-Problem lösen

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
N-ERGIE Netz GmbH-Firmenlogo
Maßnahmenplaner für das Netzgebiet (m/w/d) N-ERGIE Netz GmbH
Rothenburg Zum Job 
Nanotec Electronic GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Projektleiter (w/m/d) Nanotec Electronic GmbH & Co. KG
Feldkirchen Zum Job 
APOprojekt GmbH-Firmenlogo
Prozess- und Qualitätsmanager (all genders) APOprojekt GmbH
Hamburg, Düsseldorf, Frankfurt Zum Job 
Schüller Möbelwerk KG-Firmenlogo
Umweltingenieur (m/w/d) Schüller Möbelwerk KG
Herrieden bei Ansbach Zum Job 
Menlo Systems GmbH-Firmenlogo
Ingenieur / Techniker (m/w/d) für die Produktion von Frequenzkämmen Menlo Systems GmbH
Planegg Zum Job 
ANDRITZ Küsters GmbH-Firmenlogo
Inbetriebnahme-Ingenieur (m/w/d) ANDRITZ Küsters GmbH
Krefeld Zum Job 
WEMAG Netz GmbH-Firmenlogo
Prozessorganisator Grundzuständiger Messstellenbetrieb (m/w/d) WEMAG Netz GmbH
Schwerin Zum Job 
Karlsruher Verkehrsverbund GmbH-Firmenlogo
Angebots- / Verkehrsplaner*in (m/w/d) regionale Busverkehre Karlsruher Verkehrsverbund GmbH
Karlsruhe Zum Job 
Aerologic GmbH-Firmenlogo
Engineer Aircraft Reliability & Maintenance Program (m/f/x) Aerologic GmbH
Leipzig/Halle Airport Zum Job 
THOST Projektmanagement GmbH-Firmenlogo
Consultant Digital Transformation (m/w/d) Schwerpunkte IT, Industrie und Engineering THOST Projektmanagement GmbH
Freiburg im Breisgau, Mannheim, München, Stuttgart Zum Job 
P+R Betriebsgesellschaft mbH-Firmenlogo
Bauingenieur / Architekt P+R-Parkhäuser (w/m/d) P+R Betriebsgesellschaft mbH
Hamburg Zum Job 
Brüninghoff GmbH & Co.KG-Firmenlogo
Ingenieurin (m/w/divers) als Führungskraft für Arbeitssicherheit / Gesundheitsschutz Brüninghoff GmbH & Co.KG
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur Konstruktiver Ingenieurbau/Brückenbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Frankfurt-Gelnhausen Zum Job 
Quantum-Systems GmbH-Firmenlogo
Junior Recruiter (m/f/d) Quantum-Systems GmbH
Gilching Zum Job 
Kromberg & Schubert Automotive GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Ingenieur für Funktionale Sicherheit (m/w/d) Kromberg & Schubert Automotive GmbH & Co. KG
Abensberg bei Regensburg Zum Job 
Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH-Firmenlogo
Vertriebsingenieur (m/w/d) Bereich Spektrometer und Mikroskopie Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH
Herrsching am Ammersee Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur/in als Bauwerksprüfer (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Darmstadt Zum Job 
Quantum-Systems GmbH-Firmenlogo
Manager (m/w/d) Export/Zoll & Auftragsabwicklung Quantum-Systems GmbH
Gilching Zum Job 
Quantum-Systems GmbH-Firmenlogo
.Net Software Developer (Munich or Kyiv) (f/m/d) Quantum-Systems GmbH
Gilching, Kiew (Ukraine) Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur Planung Bauwerke (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes

In der Natur können Pflanzen und Algen, aber auch zahlreiche Bakterien Kohlendioxid binden. Expertinnen und Experten schätzen, dass rund 90 Prozent des Kohlendioxids im globalen Kreislauf auf diesem Wege gebunden werden. Den Pflanzen gelingt dies mittels Calvin-Zyklus. Das bedeutet: Die Pflanze nimmt CO2 über Poren in den Blättern auf. Von dort aus gelangt es in die Chloroplasten, den Zellorganellen, und kann dann durch die vom Licht unabhängige Reaktion, dem sogenannten Calvin-Zyklus, gebunden werden.

Forschende nutzen Ameisensäure, um CO2 zu binden

Den Forschenden ist es nun erstmals gelungen, einen künstlichen Stoffwechselweg zu entwickeln. Dabei entsteht im ersten Schritt, quasi als Zwischenprodukt einer künstlichen Photosynthese, Ameisensäure, und im zweiten hochreaktives Formaldehyd. Allerdings war diese Umwandlung bislang relativ energieintensiv. Der Grund: Das Salz in der Ameisensäure, das sogenannte Formiat, kann nicht ohne weiteres in Formaldehyd umgewandelt werden. Eine chemische Barriere verhindert dies, weshalb die Forschenden diese überbrücken mussten. Zugleich wollten sie einen Weg finden, bei dem weniger Energie notwendig ist. Aus der Natur ist ein solcher bislang nicht bekannt.

Dabei ging es im Rahmen des Forschungsprojekts nicht nur darum, die passenden Enzyme zu finden, die mehrere Funktionen abdecken, sondern auch darum, die Reaktionszeit dieser sehr langsamen Enzyme zu beschleunigen. Die Forschenden nutzten dafür die synthetische Biochemie. „Wenn man Enzymstruktur und -Mechanismus kennt, weiß man, wo einzugreifen ist, um es anzupassen. An diesem Punkt profitieren wir maßgeblich von Vorarbeiten aus der Grundlagenforschung“, sagt Nattermann.

Hochdurchsatz-Technologie half die Forschung zu beschleunigen

Der Erfolg stellte sich ein, weil die Forschenden mehrere Ansätze miteinander kombinierten. Sie tauschten Bausteine bewusst aus, auch gezielte Mutagenese genannt. Darüber hinaus erzeugten sie auch zufällige Mutationen, welche sie auf ihre Tauglichkeit aussortierten. Bei diesen Schritten halfen den Forschenden die beiden Stoffe Formiat und Formaldehyd. Denn sie durchdringen Zellwände extrem gut, eine Eigenschaft, die hier besonders gefragt war. „Wir können Formiat in das Nährmedium von Zellen geben, die unsere Enzyme bilden, und nach ein paar Stunden den produzierten Formaldehyd in einen ungiftigen gelben Farbstoff umwandeln“, erläutert die Forscherin.

Damit dieses Ergebnis in der Form überhaupt möglich war, musste das Team ein sogenanntes Hochdurchsatzverfahren anwenden. Dieses Verfahren wird vor allem in der Pharmaforschung eingesetzt. Es ist eine automatisierte Methode, mit der sich verschiedenste Substanzen, zum Beispiel DNA, Proteine oder auch Metabolite in kurzer Zeit umfangreich untersuchen lassen. Das Forscherteam konnte diese Untersuchungen bei dem Industriepartner Festo SE & Co. KG durchführen. „Nach etwa 4.000 Varianten erzielten wir eine vierfache Verbesserung der Produktion. Damit haben wir die Grundlage geschaffen, den Modellorganismus E.coli, das mikrobielle Arbeitspferd der Biotechnologie, auf Ameisensäure wachsen zu lassen. Allerdings können unsere Zellen Formaldehyd vorerst nur produzieren, nicht weiter umsetzen“, fasst Maren Nattermann den Erfolg zusammen.

Nachhaltige Nutzung von CO2 – weitere Schritte in Planung

Mit diesem Erfolg ist für die Gruppe um Tobias Erb noch nicht das Ende ihrer Forschungen erreicht. Sie arbeiten aktuell mit Sebastian Wenk am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie zusammen. Gemeinsam wollen sie einen besonderen Stamm entwickeln. Dieser soll in der Lage sein, Zwischenprodukte aufzunehmen und in den zentralen Metabolismus einzuschleusen. Am MPI für Chemische Energiekonversion unter der Leitung von Walter Leitner arbeitet ein weiteres Team an der elektrochemischen Umwandlung von CO2 zu Ameisensäure. Dahinter steckt das langfristige Ziel, eine sogenannte All-in-one Plattform zu schaffen- von CO2 über ein elektrobiochemisches Verfahren bis hin zu Produkten wie Insulin und Biodiesel.

 Mehr zum Thema CO2 langfristig binden:

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.