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Fotosynthese mit Spinatmembranen Forschern gelingt Nachbau von Chloroplasten

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Um die Fotosynthese im Labor zu imitieren, isolierten die Wissenschaftler zunächst Membranen aus den Chloroplasten von Spinatzellen (Spinacia oleracea).

(Foto: imago/blickwinkel)

Bisher war die Fotosynthese, also die Gewinnung von energiereichen Stoffen mithilfe von CO2 und Sonnenlicht, nur Pflanzen, Algen und einigen Bakterien als spezielle Fähigkeit vorenthalten. Nun ahmen Forscher diesen Vorgang im Labor erfolgreich nach.

Wissenschaftler aus Deutschland und Frankreich haben eine Art künstliche biologische Zelle entwickelt, die Fotosynthese betreiben kann. Das ist der Prozess, über den die allermeisten Pflanzen Kohlendioxid (CO2) aus der Luft mithilfe von Sonnenlicht in energiereiche Biomoleküle verwandeln. Mit solchen Konstrukten könnten künftig Wirkstoffe für Arzneimittel hergestellt oder das Treibhausgas CO2 aus der Luft entfernt werden. Die Forschergruppe um Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg veröffentlichte ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift "Science".

"Die fotosynthetische Umwandlung von anorganischem Kohlenstoff in organische Materie ist ein grundlegender biologischer Prozess, der für den größten Teil der auf der Erde gespeicherten Energie und Biomasse verantwortlich ist", schreiben die Forscher. Dieser Prozess findet in den Zellen der meisten Pflanzen statt, genauer gesagt in den Chloroplasten.

Membranen aus Spinat-Chloroplasten

Um die Fotosynthese im Labor zu imitieren, isolierten die Wissenschaftler zunächst Membranen aus den Chloroplasten von Spinatzellen (Spinacia oleracea). Sie brachten diese dann in winzige Wassertröpfchen - ihr Durchmesser betrug etwa 0,032 Millimeter -, die quasi als Zellen dienten. Hinzu kamen 16 Enzyme (Eiweiße mit bestimmten Funktionen) und weitere Substanzen.

Fiel nun Licht auf die Tröpfchen, entstanden darin genau wie beim natürlichen Vorbild die Energieträger ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH (reduziertes Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat). Auch bildeten die künstlichen Zellen Glykolsäure, eine Fruchtsäure.

Mit "Cetch" wird Lichtatmung vermieden

Die Forschergruppe nutzte bei ihren Experimenten einen künstlichen Fotosynthese-Kreislauf namens "Cetch", den sie vor einigen Jahren entwickelt hatte, und verbesserte ihn. Er besitzt den Vorteil, dass er die sogenannte Lichtatmung der Fotosynthese vermeidet, die für die Zelle einen Energieverlust bedeutet. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, natürliche und synthetische biologische Module in Tausenden von zellgroßen Kompartimenten miteinander zu verbinden, um neue fotosynthetische Einheiten zu schaffen, die das Potenzial haben, die natürliche Fotosynthese zu übertreffen", bilanzieren die Wissenschaftler.

In einem Kommentar, ebenfalls in "Science", loben Nathaniel Gaut und Katarzyna Adamala von der University of Minnesota in Minneapolis (USA) die Ergebnisse: "Dieser Fortschritt markiert einen wichtigen Schritt in Richtung Entwicklung einer synthetischen pflanzenähnlichen Zelle." Solche Konstrukte könnten etwa als Bioreaktoren genutzt werden, um biochemische Substanzen ohne Zuführung von Energie herzustellen. Inhaltsstoffe von Medikamenten oder wichtige Stoffe für die chemische Industrie könnten dann allein mit der Energie des Sonnenlichts produziert werden.

Quelle: ntv.de, Stefan Parsch, dpa