Kalorien aus Kohlendioxid herstellen
Chinesische Forscher haben ein Verfahren, das industrielle Abgase in essbare Stärke umwandelt, erheblich beschleunigt. Die Produktivität ist nun zehnmal so hoch wie bei ihrer bahnbrechenden Methode von 2021. Wie die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) berichtet, bringt dieser Fortschritt die Welt der industriellen Stärkeproduktion ohne Ackerland, Nutzpflanzen oder herkömmliche Landwirtschaft näher. Wissenschaftler am Tianjin Institute of Industrial Biotechnology (TIB) haben ihr zellfreies Enzymsystem weiterentwickelt, das Kohlendioxid in das komplexe Kohlenhydrat umwandelt – inzwischen mit einer Geschwindigkeit, die die natürliche Photosynthese weit übertrifft. Die Entwicklung könnte einen grundlegenden Wandel einläuten: Sie eröffnet die Möglichkeit, wichtige Lebensmittelzutaten und industrielle Rohstoffe herzustellen und dabei die Umweltkosten der konventionellen Landwirtschaft zu umgehen.
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Das von Professor Cai Tao geleitete Forschungsteam hat fünf Jahre lang den chemisch-biochemischen Hybridprozess optimiert, der erstmals in der Fachzeitschrift Science vorgestellt wurde. Der Durchbruch von 2021 hatte gezeigt, dass Stärke aus CO2 mit einer 8,5-mal höheren Rate als in Maispflanzen synthetisiert werden kann. Die jüngsten Verbesserungen haben die Ausbeute nochmals verzehnfacht und ein System geschaffen, das Wirkungsgrade erreicht, die bislang nur in der Theorie denkbar waren. Dieser künstliche anabole Stärkeprozess (ASAP) könnte nun die landwirtschaftlichen Strukturen herausfordern, die die menschliche Zivilisation seit Jahrtausenden prägen.
Die Chemie der künstlichen Photosynthese
Das Verfahren ahmt die Natur nach, beseitigt aber die biologischen Ineffizienzen des Pflanzenwachstums. Statt monatelang auf die Reife von Mais zu warten, schließt das Laborm Verfahren die Umwandlung innerhalb weniger Stunden ab. Der Prozess umfasst elf Kernreaktionen, die gasförmiges Kohlendioxid in einer genau abgestimmten Abfolge chemischer und enzymatischer Schritte in polymerisierte Stärke umwandeln.
Zunächst wandelt ein anorganischer Katalysator Kohlendioxid unter kontrollierten Bedingungen zu Methanol um. Dieses einfache Molekül dient dann als Baustein für eine Kaskade enzymatischer Reaktionen. Das Forschungsteam gewann und veränderte Enzyme aus 31 verschiedenen Arten. Es wählte 62 Kandidaten aus und modifizierte sie, um die zehn wirksamsten Katalysatoren zu ermitteln. Diese biologischen Maschinen wandeln Methanol in Zuckerbausteine mit drei beziehungsweise sechs Kohlenstoffatomen um, die anschließend zu Amylose oder Amylopektin polymerisiert werden – den beiden Hauptbestandteilen natürlicher Stärke.
Die synthetische Stärke ist chemisch und physikalisch identisch mit ihrem landwirtschaftlichen Pendant. Laboranalysen bestätigen, dass Zusammensetzung und Eigenschaften übereinstimmen. Damit könnte das künstliche Produkt Maisstärke in Lebensmitteln, Arzneimitteln, der Papierherstellung, der Textilindustrie, bei Klebstoffen und in biologisch abbaubaren Kunststoffen direkt ersetzen. Zudem lässt sich die Zusammensetzung der Stärke gezielt anpassen, um Varianten mit bestimmten Verdauungsgeschwindigkeiten oder funktionellen Eigenschaften für industrielle Anwendungen herzustellen.
Vom Labor in die Fabrik
Den Erfolg im Labor in wirtschaftliche Rentabilität zu überführen, stellt die Forschung vor Herausforderungen, die über den wissenschaftlichen Durchbruch selbst hinausgehen. Professor Cai Tao räumte in einem Interview mit China Science Daily ein, wie schwierig die Ausweitung des Verfahrens ist. Der Weg vom Machbarkeitsnachweis zur industriellen Anwendung erfordere die Überwindung erheblicher wirtschaftlicher Hürden.
Es ist schwierig, von null auf eins zu kommen, die Kosten zu senken ist schwierig, und noch schwieriger ist es, am Ende eine industrielle Anwendung zu erreichen. Trotzdem müssen wir uns dieser Herausforderung stellen.
Das größte Hindernis sind die Kosten der Enzyme. Im ursprünglichen System von 2021 entfiel die Hälfte der gesamten Materialkosten auf ein einziges Schlüssel-Enzym. Das Team hat sich intensiv mit diesem Engpass befasst: Mithilfe künstlicher Intelligenz sucht es nach stabileren und effizienteren Enzymvarianten und entwickelt zugleich Verfahren, um die biologischen Katalysatoren wiederzuverwenden. Diese Verbesserungen haben den benötigten Enzymbedarf erheblich gesenkt, ohne die Effizienz der Reaktionen zu beeinträchtigen.
Die Forscher haben außerdem die Reaktionsbedingungen optimiert, um die Energiekosten deutlich zu senken. Das Verfahren läuft unter kontrollierten Laborbedingungen ab und ermöglicht dadurch verlässliche Erträge, die weder vom Wetter noch von Jahreszeiten oder Klimaschwankungen abhängen. Das ist ein deutlicher Gegensatz zur landwirtschaftlichen Produktion, bei der Dürren, Überschwemmungen und Schädlinge die jährlichen Ernten schwer beeinträchtigen können.
Die Wirtschaftlichkeit der Landwirtschaft neu denken
Die möglichen Ressourceneinsparungen gehen über reine Effizienzkennzahlen hinaus. Berechnungen des TIB-Teams zufolge könnte ein Bioreaktor mit einem Volumen von einem Kubikmeter theoretisch pro Jahr so viel Stärke produzieren wie etwa ein Drittel Hektar Maisfeld. Wenn die Produktionskosten auf ein mit der herkömmlichen Landwirtschaft vergleichbares Niveau gesenkt werden können, könnte die Technologie den Bedarf an mehr als 90 Prozent der Anbauflächen und Süßwasserressourcen beseitigen, die derzeit für die Stärkeproduktion genutzt werden.
Dieser Wandel bei der Flächennutzung hätte weitreichende Folgen für die weltweite Landwirtschaft. Derzeit beruht die industrielle Stärkeproduktion fast ausschließlich auf Mais, der große Ackerflächen, intensive Bewässerung sowie den umfangreichen Einsatz von Dünger und Pestiziden erfordert. Der Wettbewerb um begrenzte Ackerflächen zwischen Nahrungspflanzen und industriellen Rohstoffen hat sich verschärft, da die Weltbevölkerung wächst und der Klimawandel die Erträge bedroht.
Ma Yanhe, Gründungsdirektor des TIB, formulierte die Vision hinter dieser Forschung 2021 in einer Erklärung, die bis heute aktuell ist. Er sagte, die Industrialisierung sei sowohl die ursprüngliche Idee als auch das endgültige Ziel des Projekts. Trotz der Schwierigkeiten im Entwicklungsverlauf werde das Team die Arbeit nicht aufgeben.
Auch mit Blick auf den Kohlenstoffkreislauf summieren sich die Umweltvorteile. Statt Kohlendioxid in die Atmosphäre freizusetzen, verbraucht das Verfahren es als Rohstoff. Wird es mit erneuerbarem Strom betrieben, könnte die Stärkeproduktion eine negative CO2-Bilanz erreichen: Sie würde aktiv Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernen und zugleich wertvolle Produkte herstellen. Eine 2023 vom selben Team in Science Bulletin veröffentlichte Studie zeigte, dass das System eine 3,5-mal höhere Energieeffizienz und eine 23-mal schnellere Syntheserate als natürliche Pflanzensysteme erreichen kann.
Alternative biologische Verfahren
Während das enzymatische Verfahren für Schlagzeilen sorgt, zeigen parallele Forschungsarbeiten weitere vielversprechende Wege von Kohlendioxid zu Stärke. Wissenschaftler haben eine alternative Methode entwickelt, bei der gentechnisch veränderte Hefe – genauer gesagt der ölbildende Stamm Yarrowia lipolytica – eine sogenannte „mikrobielle Stärke“ mit hohem Stärkeanteil produziert.
Bei diesem biologischen Verfahren wird der Stoffwechsel der Hefe so verändert, dass sie Stärke in einer Menge von bis zu 47 Prozent ihres Trockengewichts anreichert. Die Forscher erzielten eine rund 50-mal höhere Produktivität pro Fläche und Zeit als beim traditionellen Pflanzenanbau. Dazu bauten sie die Wege der Stärkesynthese und Glukoneogenese um und veränderten die Zellform, um die Zellen zu vergrößern. Das Hefeverfahren nutzt Acetat, das sich mithilfe erneuerbaren Stroms durch Elektrosynthese aus Kohlendioxid gewinnen lässt. So entsteht ein weiterer Weg zur klimaneutralen Lebensmittelproduktion mit negativer CO2-Bilanz.
Die gentechnisch veränderte Hefe kann in Verbindung mit Acetat auch landwirtschaftliche Abfälle wie Stroh verwerten. Damit ließe sich Zellulose in essbare Stärke umwandeln. Das könnte ein weiteres Problem der Landwirtschaft angehen: die unzureichende Nutzung von Ernterückständen. Trotz ihrer unterschiedlichen Methoden verfolgen sowohl die enzymatischen als auch die mikrobiellen Verfahren dasselbe Ziel: die Lebensmittelproduktion von der herkömmlichen Landwirtschaft zu entkoppeln.
Nationale Lage und globale Folgen
Chinas Investitionen in die Technologie zur Herstellung synthetischer Stärke spiegeln den erheblichen Druck wider, unter dem das Land steht. Es muss die größte Bevölkerung der Welt mit begrenzten Acker- und Wasserressourcen pro Kopf versorgen. Landwirtschaftliche Aktivitäten tragen durch die Herstellung von Düngemitteln, den Treibstoffverbrauch von Maschinen, Methanemissionen aus dem Reisanbau und energieintensive Bewässerungssysteme erheblich zu den nationalen CO2-Emissionen bei.
Daten für den Zeitraum von 2005 bis 2021 zeigen, dass China in der Landwirtschaft auf zwei Ebenen ansetzt: Größere landwirtschaftliche Betriebe werden mit gemeinsam genutzten professionellen Dienstleistungen kombiniert, um die CO2-Intensität zu senken und gleichzeitig die Produktion aufrechtzuerhalten. Diese Fortschritte könnten jedoch nicht ausreichen, wenn sich der Klimawandel verschärft und Ackerland zunehmend geschädigt wird. Synthetische Stärke wäre eine ergänzende Strategie: Sie könnte Millionen Hektar für die Wiederherstellung von Ökosystemen oder den Anbau von Nahrungspflanzen freisetzen und zugleich die industrielle Nachfrage nach diesem Kohlenhydrat decken.
Die Technologie passt außerdem zu Chinas umfassenderer Energiewende. Je stärker das Land die Erzeugung erneuerbaren Stroms ausbaut und die Emissionen des Stromsektors senkt, desto eher werden Technologien zur CO2-Abscheidung und -Nutzung wirtschaftlich tragfähig. Das Verfahren zur Umwandlung von CO2 in Stärke benötigt Energie, insbesondere für die anfängliche Umwandlung in Methanol und für die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse. Wird das System mit Solar- oder Windenergie betrieben, speichert es elektrische Energie in chemischen Bindungen und schafft damit eine Form der Energiespeicherung in Lebensmitteln.
Wichtige Punkte
- Chinesische Wissenschaftler am Tianjin Institute of Industrial Biotechnology haben die Produktivität bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Stärke gegenüber ihrem Durchbruch von 2021 verzehnfacht.
- Das künstliche Verfahren wandelt CO2 in elf enzymatischen Schritten in Stärke um, die mit landwirtschaftlich erzeugter Stärke identisch ist. Es arbeitet inzwischen etwa 85-mal schneller als die natürliche Stärkesynthese in Maispflanzen.
- Ein Bioreaktor mit einem Volumen von einem Kubikmeter könnte theoretisch so viel Stärke produzieren wie ein Drittel Hektar Maisfeld pro Jahr. Damit ließen sich möglicherweise mehr als 90 Prozent der Flächen und Wassermengen einsparen, die bei der herkömmlichen Stärkeproduktion eingesetzt werden.
- Forschungsteams nutzen künstliche Intelligenz, um Enzyme zu optimieren und Kosten zu senken. Damit gehen sie die wichtigsten Hindernisse für eine industrielle Anwendung an.
- Parallele Forschungsarbeiten mit gentechnisch veränderter Hefe bieten einen alternativen biologischen Weg, dessen Produktivität pro Fläche 50-mal höher ist als beim Pflanzenanbau. Als Rohstoff dient dabei durch Elektrosynthese gewonnenes Acetat.
- Die Technologie könnte die CO2-Emissionen der Landwirtschaft senken, den Wettbewerb um Ackerflächen zwischen Nahrungspflanzen und Industriepflanzen beenden und bei Nutzung erneuerbarer Energien einen Herstellungsweg mit negativer CO2-Bilanz ermöglichen.
