Forscher verwandeln Industrie-Abgase in wertvolle Rohstoffe

Ein Schlauch, ein Laboraufbau, kaum größer als eine Thermoskanne. Darin fließt eine farblose Flüssigkeit, unscheinbar wie Wasser. Was hier verarbeitet wird, stammt aus einem der größten Probleme der Industrie: Kohlendioxid. Statt in die Atmosphäre zu entweichen, dient es als Ausgangsstoff für etwas Neues. Forscher der Northwestern University zeigen, wie sich CO₂ außerhalb lebender Zellen mithilfe gezielt entwickelter Enzyme so verarbeiten lässt, dass aus Abgasen neue Rohstoffe für die Industrie entstehen.

CO₂ speichern allein löst das Klimaproblem nicht. Attraktiv wird Klimaschutz dort, wo sich Emissionen weiterverwerten lassen. Genau hier setzt das neue Verfahren an, das jüngst in Nature Chemical Engineering beschrieben wurde.

Wie Abgase mit Hilfe von Chemikalien in Rohstoffe umgewandelt werden

Stattdessen arbeitet das Team mit einem künstlichen Stoffwechselsystem, das es in der Natur nicht gibt. Es beginnt mit Formiat, einer einfachen Kohlenstoffverbindung, die sich vergleichsweise leicht aus CO₂ herstellen lässt. Dieses Molekül dient als Startpunkt für mehrere exakt aufeinander abgestimmte Reaktionsschritte. Am Ende entsteht Acetyl-CoA – ein universeller Baustein, den alle lebenden Zellen für ihren Stoffwechsel nutzen.

Der entscheidende Unterschied zu natürlichen Prozessen liegt im Ort des Geschehens. Die Reaktionen laufen nicht in Bakterien oder Pflanzen ab, sondern vollständig außerhalb von Zellen. Das erlaubt eine präzise Steuerung der Bedingungen. Enzymmengen, Temperatur und chemische Umgebung lassen sich exakt einstellen. Einschränkungen, die lebende Organismen mit sich bringen, entfallen.

Um diesen künstlichen Stoffwechsel zu bauen, sichteten die Forscher 66 Enzyme und mehr als 3.000 Varianten. Ziel war es, Reaktionen zu ermöglichen, die es in der Natur nicht gibt. Am Ende entstand ein Reaktionsweg mit sechs Schritten und fünf gezielt ausgewählten Enzymen.

Warum lebende Zellen hier an ihre Grenzen stoßen

Formiat gilt seit Jahren als vielversprechender Kohlenstoffträger. Es lässt sich aus Wasser, Strom und CO₂ gewinnen. In der Theorie könnte es ein Bindeglied zwischen erneuerbarer Energie und chemischer Industrie sein. In der Praxis scheitert dieser Ansatz oft an der Biologie. Nur wenige Mikroorganismen können Formiat effizient verwerten. Diese lassen sich kaum für industrielle Prozesse anpassen.

„In der Natur gibt es keinen Weg, der Formiat direkt in Acetyl-CoA überführt“, erklärt Ashty Karim von der Northwestern University. „Es gibt einzelne Enzyme, die mit Formiat reagieren, aber sie bauen daraus nichts Nützliches auf“, so Karim weiter. Deshalb entwickelte sein Team zunächst ein theoretisches Reaktionsschema – und suchte dann nach passenden Enzymfunktionen, die eigens dafür geschaffen wurden.

Der Schlüssel lag in der sogenannten zellfreien Biotechnologie. Statt ganze Organismen zu verändern, nutzen die Forscher nur deren molekulare Maschinerie. Enzyme, Kofaktoren und Hilfsmoleküle kommen in ein Reagenzglas. So lassen sich Reaktionen schneller testen und verändern.

Ein Blick ins Innere des Enzyms: Die Abbildung zeigt, wie ein zentrales Hilfsmolekül im aktiven Zentrum sitzt und dort die chemische Umwandlung Schritt für Schritt ermöglicht. © Studie

Tausende Enzymtests pro Woche im Reagenzglas

Der Vorteil dieses Ansatzes zeigt sich im Tempo. Während klassische Methoden oft Monate für wenige Tests benötigen, prüfte das Team tausende Enzymvarianten pro Woche. „Typischerweise testen Forscher eine Handvoll Enzyme“, sagt Karim. „In der zellfreien Umgebung konnten wir Tausende in kurzer Zeit untersuchen.“

Co-Autor der Studie Michael Jewett von der Stanford University beschreibt den Ansatz anschaulich: „Es ist, als würde man den Motor aus einem Auto ausbauen. Dann lässt sich dieser Motor für ganz andere Zwecke einsetzen – ohne die Beschränkungen des Fahrzeugs.“ Die Metapher verdeutlicht, warum sich komplexe Reaktionsketten außerhalb lebender Zellen besser kontrollieren lassen.

Am Ende funktionierte der künstliche Stoffwechsel stabil. Das System verwandelte Formiat zuverlässig in Acetyl-CoA. Als Machbarkeitsnachweis folgte ein weiterer Schritt: Aus Acetyl-CoA entstand Malat, eine Chemikalie, die in Lebensmitteln, Kosmetika und biologisch abbaubaren Kunststoffen Verwendung findet.

Welche Rolle Acetyl-CoA für Industrie und Klima spielt

Acetyl-CoA steht im Zentrum fast aller biologischen Aufbauprozesse. Aus ihm entstehen Fette, Aminosäuren und viele andere Grundstoffe. Wer diesen Knotenpunkt erreicht, öffnet den Weg zu einer Vielzahl von Produkten. Genau darin liegt das industrielle Potenzial des neuen Systems.

Das Verfahren kann zudem mit anderen Kohlenstoffquellen umgehen. Auch Formaldehyd und Methanol lassen sich einspeisen. Damit wird das System flexibel und anschlussfähig an verschiedene CO₂-Nutzungsstrategien. Denkbar sind Kombinationen mit elektrochemischen Verfahren, die CO₂ zunächst in einfache Moleküle umwandeln.

„Wir brauchen neue Wege zu einer kohlenstoffnegativen Herstellung von Gütern“, sagt Karim. „Die Natur kommt mit der Menge an CO₂ nicht mehr hinterher.“ Der künstliche Stoffwechsel soll diese Lücke schließen – nicht als Ersatz für natürliche Prozesse, sondern als Ergänzung.

Was das Verfahren von klassischem CO₂-Recycling unterscheidet

Viele bisherige Ansätze setzen auf chemische Katalysatoren oder gentechnisch veränderte Mikroben. Beides hat Nachteile. Chemische Verfahren benötigen oft hohe Temperaturen und Drücke. Biologische Systeme reagieren empfindlich auf Störungen. Das neue Verfahren liegt dazwischen. Es verbindet Enzyme mit präziser technischer Kontrolle.

Für die Praxis bedeutet das: Prozesse lassen sich schneller anpassen und besser skalieren. Gleichzeitig bleibt der Energiebedarf vergleichsweise niedrig. Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Doch der Weg zu industriellen Anwendungen erscheint greifbarer als bei vielen früheren Konzepten.

Jewett sieht darin einen allgemeinen Trend: „Hybride Technologien, die Chemie und Biologie verbinden, eröffnen neue Wege für eine energieeffiziente Zukunft.“ Der künstliche Stoffwechsel dient dabei als Baukasten. Weitere Enzyme und Reaktionswege könnten folgen.

Noch arbeitet das System im Labormaßstab. Fragen zur Wirtschaftlichkeit, Haltbarkeit der Enzyme und zum Materialdurchsatz bleiben bislang offen.

Kurz zusammengefasst:

Forscher haben ein künstliches Stoffwechselsystem entwickelt, das CO₂ über einfache Zwischenstufen in Acetyl-CoA umwandelt, einen zentralen chemischen Baustein für viele Materialien.
Der Prozess läuft vollständig außerhalb lebender Zellen ab und nutzt gezielt konstruierte Enzyme, wodurch sich Reaktionen präzise steuern und schneller testen lassen als in Organismen.
Damit wird CO₂ vom reinen Abfallprodukt zum nutzbaren Rohstoff, etwa für Chemikalien in Kunststoffen, Kosmetika oder Lebensmitteln, mit Perspektiven für klimaneutralere Industrieprozesse.

Übrigens: Während ein künstlicher Stoffwechsel Abgase zu chemischen Rohstoffen umbaut, zeigt ein neuer Katalysator aus Südkorea, wie sich CO₂ direkt in Bausteine für synthetischen Treibstoff verwandeln lässt – effizienter und bei deutlich niedrigeren Temperaturen als bisher. Mehr dazu in unserem Artikel.

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