Die Photosynthese liefert direkt oder indirekt Energie an fast alle Lebewesen auf dem Planeten. Alle grünen Pflanzen, Algen und Mikroorganismen verwenden denselben Mechanismus zur Herstellung von Glukose aus Wasser und Kohlendioxid unter dem Einfluss von Sonnenlicht. Die Effizienz der Photosynthese ist jedoch gering: In Glucose und anderen Photosyntheseprodukten werden normalerweise 1-2% der Energie des einfallenden Lichts gespeichert.
Teilweise ist die Photosynthese unwirksam, da die Photosynthese vor mehr als zwei Milliarden Jahren stattfand, als sich in der Erdatmosphäre kein Sauerstoff befand. Aus diesem Grund macht bei der Fixierung von Kohlendioxid ein Schlüsselenzym (RuBisCO) in etwa einem von vier Fällen einen Fehler, und anstelle von Kohlendioxid erfolgt die Reaktion mit Sauerstoff. Dieser Prozess wird als Photoatmung bezeichnet und reduziert die Effizienz der Photosynthese und die Pflanzenproduktivität um fast die Hälfte.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Photorespiration zu überwinden. Sie können Sauerstoff aus der Atmosphäre entfernen und durch Kohlendioxid ersetzen, was die Menschheit durch Verbrennung fossiler Brennstoffe tut. Dieser Prozess (gelinde gesagt) führt jedoch zu vielen Nebenwirkungen und bietet keine vollständige Lösung für das Problem der Photorespiration. Eine andere Lösung ist die Verwendung von Pflanzen, die in photosynthetischen Zellen eine kohlenstoffreiche Atmosphäre erzeugen und so deren Effizienz steigern könnten. Dies ist hauptsächlich Mais und Zuckerrohr. Diese Methode kann jedoch nicht auf andere Kulturen ausgedehnt werden.
Schließlich können Sie die genetische Veränderung von Pflanzen im wichtigsten Stadium der Photosynthese ausprobieren. Theoretisch können Pflanzen dazu gebracht werden, eine verbesserte Version von RuBisCO herzustellen, die nicht mit Sauerstoff reagiert. Es ist möglich, aber wir verstehen noch nicht, wie diese verbesserte Version aussehen sollte: Unser Verständnis der Arbeit von Enzymen reicht immer noch nicht aus, um ihre verbesserten Versionen zu entwerfen. Jetzt wird viel Arbeit mit KI geleistet, um dieses
Problem zu lösen, aber es ist völlig unklar, wie lange es dauern wird.
Einer der Autoren des Artikels friert Versuchspflanzen mit flüssigem Stickstoff zur chemischen Analyse ein.Aber es gibt noch einen anderen Weg. In einer kürzlich erschienenen
Veröffentlichung einer Gruppe von Wissenschaftlern der University of Illinois haben sie gezeigt, wie die Energiekosten für die Beseitigung der Auswirkungen der Photorespiration gesenkt werden können, indem neue Gene aus ihren photosynthetischen Bakterien in Pflanzen eingeführt werden. Gleichzeitig ändern sich die wichtigsten biochemischen Wege in diesen Pflanzen. Bisher wurde eine Effizienzsteigerung von ca. 13% erzielt, dies ist jedoch nur der Anfang. Dieser Ansatz kann an allen Pflanzen funktionieren und zu einer neuen Revolution in der Landwirtschaft führen.