Umgekehrte Photosynthese: Abbau von Biomasse durch Sonnenlicht

Kopenhagen (Dänemark) - Pflanzen, Algen und einige Bakterien nutzen die Sonnenstrahlung als Energiequelle für biochemische Reaktionen beim Aufbau von Biomasse. Durch den Prozess der Photosynthese entstehen so aus Kohlendioxid und Wasser Zuckermoleküle, die dann unter anderem in langkettige Kohlenhydrate wie Stärke und Cellulose umgewandelt werden. Dänische Biotechnologen haben jetzt entdeckt, dass die Sonnenenergie auch eine Reaktion in umgekehrter Richtung verstärken kann. Die durch Chlorophyll absorbierte Lichtenergie kann auf bestimmte Enzyme übertragen werden, die unter Sauerstoffverbrauch Cellulose in kleinere Bruchstücke spalten. Mit Hilfe dieser „umgekehrten Photosynthese“ ließe sich die Erzeugung von Biokraftstoffen aus pflanzlichem Material wie Stroh oder Holz auf umweltfreundliche Weise beträchtlich beschleunigen, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Communications”.

„Diese Entdeckung könnte die industrielle Produktion von Treibstoffen und Chemikalien grundlegend verändern und damit die Umweltverschmutzung beträchtlich verringern“, sagt Claus Felby von der Universität Kopenhagen. Sein Forscherteam untersuchte den Abbau von Cellulose durch spezielle Monooxygenasen. Solche Enzyme spalten unter Verbrauch von Sauerstoff die aus langen Ketten von Zuckermolekülen aufgebauten Kohlenhydrate in kleinere Bruchstücke. Die oxidierenden Enzyme finden sich in hoher Aktivität in Pilzen, die pflanzliche Zellwände zerstören. Monooxygenasen werden in gereinigter Form bereits heute in industriellen Verfahren zur Verwertung von Biomasse genutzt.

Die Forscher setzten einem mit Sauerstoff belüfteten Gemisch aus Cellulose, Monooxygenasen und Ascorbinsäure Chlorophyll aus Cyanobakterien oder Pflanzen zu und bestrahlten den Reaktionsansatz mit Sonnenlicht. Dadurch erhöhte sich die Enzymaktivität um das Hundertfache. Als besonders effektiv erwies sich in weiteren Experimenten der blaue und rote Anteil des Lichtspektrums, der vom Chlorophyll absorbiert wird. Auch Hemicellulose, ein anderer Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, wurde auf diese Weise hocheffizient abgebaut – ohne zusätzlichen Energieaufwand und ohne Schadstoffproduktion. Im industriellen Maßstab durchgeführt, ließen sich aus den Reaktionsprodukten wertvolle Chemikalien herstellen, die wie Äthanol und Methanol als Energieträger oder als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen genutzt werden können. Welche Bedeutung die „umgekehrte Photosynthese“ für den natürlichen globalen Kohlenstoffkreislauf hat, ist noch nicht untersucht.