„Mit MaxSynBio sind wir Weltspitze!“

Interview mit Tobias Erb über künstliche Fotosynthese und das Forschungsnetzwerk zur Synthetischen Biologie

Bestehendes verbessern oder etwas komplett neu erfinden – vor dieser Frage stehen nicht nur Ingenieure, sondern auch Biologen und Chemiker. Forscher und Forscherinnen verfolgen daher mit der Synthetischen Biologie beide Ansätze. Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg will die Fotosynthese in den Chloroplasten von Pflanzen verstehen und im Labor nachbauen. Nun hat er mit seinem Team eine Plattform entwickelt, mit der er in winzigen Tröpfchen Fotosynthese betreiben kann. Im folgenden Gespräch erzählt er, was er mit diesen halb-künstlichen Chloroplasten vorhat und welche Rolle das MaxSynBio-Netzwerk dabei spielt.

Tobias Erb, Leiter der Abteilung Biochemie und synthetischer Metabolismus am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie.

Woraus genau bestehen denn die Tropfen, in denen bei Ihnen im Labor die Fotosynthese abläuft?

Tobias Erb: Einfach ausgedrückt sind es winzige Wasserbläschen in einer Öl-Lösung. Sie können sich das vorstellen, wie wenn Sie Salatöl mit Wasser mischen – nur dass Sie dabei keine so kleinen Bläschen mit einheitlicher Größe erhalten.

Besitzen die Tröpfchen ähnlich wie natürliche Chloroplasten auch interne Membranen?

So weit sind wir noch nicht, aber eine interne dreidimensionale Membranstruktur ist natürlich ein Ziel. Damit ließe sich die Oberfläche deutlich vergrößern und die Ausbeute der in den Tropfen ablaufenden Reaktionen erhöhen.

Warum wollen Sie denn überhaupt künstliche Chloroplasten entwickeln? Wäre es nicht einfacher, die natürlichen zu optimieren?

Natürliche Chloroplasten sind das Ergebnis von Milliarden Jahren Evolution. Die Natur ist zwar sehr gut darin, ihre Erfindungen weiter zu verbessern. Sie vermeidet aber komplette Neuerfindungen, denn das Risiko des Scheiterns ist dabei hoch.

Wir dagegen können mit unserem System immer wieder völlig von vorne anfangen und komplett neue Synthesewege ausprobieren. Dadurch finden wir vielleicht Lösungen, auf die die Natur noch nicht gekommen ist. Aber grundsätzlich kann natürlich auch die Optimierung natürlicher Chloroplasten wichtige Erkenntnisse bringen, keine Frage.

Die Solaranlage des Tabaks: Einer von bis zu 100 Chloroplasten aus der Zelle eines Tabakblattes. Sein Inneres ist von Stapeln flacher Membranscheiben angefüllt (fadenförmige Strukturen), in denen sich der Fotosynthese-Apparat befindet. Chloroplasten besitzen wie die Mitochondrien eigenes Erbgut (helle Flächen).

Was sind denn wichtige Voraussetzungen für Ihre Forschung?

Eine wichtige Voraussetzung für die sogenannte Synthetische Biologie sind Netzwerke, in denen wir über Fachdisziplinen hinweg zusammenarbeiten und auch mal völlig neue Wege gehen können. Die Max-Planck-Gesellschaft hat mit MaxSynBio ein sehr erfolgreiches Netzwerk aufgebaut, um das wir weltweit beneidet werden. Das ist wie in der Nationalmannschaft, wo man ja auch die besten Spieler der Vereine auswählen und so eine schlagkräftige Truppe aufbauen kann. Anders als im Fußball sind wir mit dem MaxSynBio-Team aber derzeit wirklich Weltspitze!

Welche Aufgaben könnten die Tröpfchen künftig erfüllen?

Zunächst einmal sind sie ein riesiger Gewinn für die Forschung selbst. Wenn Sie heute die Fotosynthese und beispielsweise die Rolle eines bestimmten Enzyms untersuchen wollen, müssen sie zunächst die entsprechende Mutation in der Pflanze erzeugen und diese dann züchten. Das ist aufwändig und dauert Zeit. Mit unserer Plattform können wir innerhalb von Sekunden tausende Tröpfchen erzeugen. In jedem davon könnten wir in Zukunft eine andere Fragestellung untersuchen. Das macht die Forschung natürlich schneller und billiger.

Welche Anwendungen könnten Sie sich vorstellen?

Ein ganz wichtiger Aspekt ist zum Beispiel die Bindung von Kohlendioxid. Künstliche Chloroplasten könnten uns dabei helfen, Substanzen schneller, günstiger und umweltschonender herzustellen als bisher. Denken sie zum Beispiel an die sogenannte Weiße Gentechnik: Viele Substanzen werden heute schon mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt. Das ist aber immer noch recht ineffektiv, denn ein solcher Organismus – sei es eine Hefe- oder eine Bakterienzelle – verwendet ja nur einen Teil seiner Ressourcen auf die Produktion des gewünschten Stoffes. Der Rest fließt in sein eigenes Wachstum und Vermehrung. Unsere künstlichen Chloroplasten müssen sich aber nicht vermehren. Sie können ihre ganze Energie in die Stoffproduktion stecken.

Welche Substanzen könnten das denn sein?

Wir haben zum Beispiel in unseren Tröpfchen aus Kohlendioxid schon Glykolat synthetisiert. Das ist ein Ausgangsstoff für viele andere komplexere Moleküle. So lässt sich aus Glykolat zum Beispiel das Antibiotikum Erythromyzin herstellen. Wir können unsere Plattform auch so modifizieren, dass sie Terpene herstellt. Das sind wichtige Duftstoffe und Vitamine, die in der Kosmetik und Lebensmittelindustrie verwendet werden.

Wenn wir es schaffen, mit künstlichen Fotosynthese-Systemen das Kohlendioxid aus der Atmosphäre als wertvollen Rohstoff zu verwenden, können wir zudem einen wichtigen Beitrag zur Bewältigung der Klimakrise leisten.

Interview: Harald Rösch

 

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