Deutsche Wissenschaftler haben einen effektiven Weg entwickelt, um Kohlendioxid aus der Luft zu absorbieren

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Pflanzen und Algen sind ziemlich gut darin, die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre zu reduzieren. Jedes Jahr verbrauchen sie weltweit rund 350 Milliarden Tonnen CO ₂ . Fast alle Pflanzen tun dies mit demselben chemischen Prozess, einer Reihe chemischer Reaktionen, die als Calvin-Zyklus bezeichnet werden .

Der Calvin-Zyklus ist eine Reihe molekularer Transformationen, bei denen drei einfache Atome eines CO ₂ -Moleküls langsam in Glucose, einen komplexen Zucker, umgewandelt werden. Diese Methode ist von der Evolution recht gut getestet, aber Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, sie zu verbessern.


Der erfolgreiche Abschluss des Calvin-Zyklus hängt von einem bestimmten molekularen Werkzeug ab - Ribulosebisphosphatcarboxylase (RuBisCO) - einem Enzym, das CO ₂ aus der Atmosphäre einfängt und ein großes Molekül bildet, um die Umwandlung zu beginnen. Das Problem ist, dass RuBisCO dies relativ langsam tut. Darüber hinaus führt jeder fünfte Versuch von RuBisCO, CO ₂ zu fixieren, zum Verlust von Kohlenstoff aus dem Calvin-Zyklus und verringert die Effizienz der Photosynthese.

Unter der Leitung von Tobias Erb entwickelten Biochemiker einen In-vitro-Kohlenstoffaufnahmezyklus, der in vielerlei Hinsicht dem Calvin-Zyklus ähnelt. Der Hauptunterschied der neuen Methode besteht darin, dass sie ein schnelleres und effektiveres molekulares Werkzeug verwendet - das ECR-Enzym, das die gleiche Aufgabe wie RuBisCO erfüllt und nur etwa neunmal schneller ist. Erb nannte diesen Prozess den CETCH-Zyklus. Zusätzlich zum ECR-Enzym sequenzierten und synthetisierten die Wissenschaftler 16 weitere Katalysatoren aus 9 verschiedenen Organismen für den CETCH-Zyklus.

Der CETCH-Zyklus wandelt in der Luft befindliches CO ₂ in Glyoxylat umin 11 Schritten. In jedem Stadium ist ein Enzym erforderlich, das Moleküle transformiert. Jedes dieser Enzyme wurde sorgfältig aus 40.000 bekannten Katalysatoren ausgewählt. Einige von ihnen wurden im menschlichen Körper und in Darmbakterien gefunden, andere wurden Pflanzen und Mikroben entnommen, die in den Ozeanen leben.

Erb und seine Kollegen testeten den CETCH-Zyklus in ihrem Labor. Sie kombinierten alle extrahierten Katalysatoren mit einer bestimmten Menge chemischen Brennstoffs und berechneten, wie viel Kohlendioxid aus der Luft entfernt wurde. Sie fanden heraus, dass ihr Zyklus bei Pflanzen und Algen 25% effizienter war als der Calvin-Zyklus. CETCH wandelt Kohlendioxid mit einer Geschwindigkeit von 5 nmol CO ₂ pro Minute pro Milligramm Protein in organische Moleküle um .

Ermutigt durch die erfolgreiche Wiederherstellung des synthetischen enzymatischen Netzwerks in vitro, das darüber hinaus mit natürlichen Zyklen konkurrieren kann, öffnet Erb mehrere Türen gleichzeitig für den Einsatz der CETCH-Technologie. Wenn synthetische Enzyme in einen lebenden Organismus eingeführt werden, unterstützt der CETCH-Zyklus die natürliche Photosynthese. Letztendlich kann es auch als Anstoß für die Entwicklung eines autarken, vollsynthetischen Kohlenstoffmetabolismus in Bakterien- und Algensystemen dienen.

Erb stellt fest, dass es zu diesem Zeitpunkt sehr schwierig ist vorherzusagen, wie schnell das synthetisierte CETCH mit dem Calvin-Zyklus verglichen wird, der in lebenden Organismen funktioniert. Da es jedoch weniger Schritte durchläuft und seine Enzyme schneller sind, erwarten Wissenschaftler eine zwei- oder dreimalige Beschleunigung. Letztendlich kann es etwas langsamer sein als der Calvin-Zyklus. Wissenschaftler wissen das einfach noch nicht genau.

Obwohl das während des CETCH-Zyklus erzeugte Glyoxylat an sich weitgehend unbrauchbar ist, kann es leicht in eine andere Chemikalie umgewandelt werden, die zur Herstellung von Biokraftstoffen oder Antibiotika geeignet ist.

Wissenschaftler hoffen, dass der CETCH-Zyklus eines Tages mit gentechnischen Methoden in einen lebenden Organismus eingeführt werden kann. Dies ist jedoch eine sehr schwierige Aufgabe, für deren Lösung viel Forschung erforderlich ist. Das Team von Erb hat jetzt keine Ahnung, was passieren wird, wenn sich ihr Zyklus in einem lebenden Zellsystem befindet.

„Stellen Sie sich vor, Wissenschaftler könnten künstliche Blätter oder ein anderes Hybridsystem herstellen, in dem Photovoltaik-Solarmodule Algen und Bakterien, die unter ihnen leben, mit Energie versorgen können. Mithilfe des CETCH-Zyklus können sie dann Kohlendioxid absorbieren und nützliche Chemikalien produzieren “, sagt Tobias Erb.

Die Basis der gesamten chemischen Industrie ist nun die Verwendung fossiler Brennstoffe. Kunststoffe und Textilien, Maschinen und Antibiotika - all dies wird mit einer enormen Menge an Kohlendioxidemissionen hergestellt. Anstatt den Planeten mit neuen Emissionen zu belasten, könnte die chemische Produktion den Klimawandel aktiv bekämpfen und gesunde Produkte aus CO ₂ erzeugen .

Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 18. November 2016 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
DOI: 10.1126 / science.aah5237

Source: https://habr.com/ru/post/de399203/