(11.03.2020) WÜRZBURG: Können Pflanzen helfen, den Klimawandel aufzuhalten? Bioinformatiker haben dazu eine Pflanzenzelle mit verbesserter Kohlenstofffixierung modelliert.
Der Klimawandel stellt uns nicht nur vor große Herausforderungen, seine Bekämpfung verlangt uns auch jede Menge Kreativität ab. Verursacht wird er in erster Linie dadurch, dass der Mensch zu viel Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre freisetzt, und damit die Erderwärmung antreibt. Das klimawirksame Gas entsteht vor allem bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern, in denen über Jahmillionen Kohlenstoffdioxid fixiert wurde.
Pflanzen binden CO2 – vielleicht können sie mithelfen, den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und damit den Klimawandel zu bremsen? Diese Frage möchte Thomas Dandekar von der Universität Würzburg beantworten und untersucht dafür, ob sich Pflanzen – oder andere Photosynthese betreibende Organismen wie Algen und Cyanobakterien – in Bezug auf ihre Kohlenstofffixierung optimieren lassen. Immerhin sind Pflanzen schon jetzt in der Lage, einen Teil der menschengemachten CO2-Emissionen aufzunehmen. Allerdings bleibt ein Restbetrag von geschätzt sieben Gigatonnen CO2 pro Jahr, der nicht mehr kompensiert werden kann. Da zurzeit nichts darauf hindeutet, dass es der Menschheit gelingt, die Emissionen stark genug einzuschränken, um den Klimawandel aufzuhalten, wird heute auch die Möglichkeit diskutiert, bereits freigesetztes CO2 wieder aus der Atmosphäre zu entfernen. Bekannte alternative Methoden wie das Speichern von CO2 in unterirdischen Endlagern wecken Ängste oder sind aus politischen Gründen nicht in ausreichendem Maße umsetzbar wie etwa Aufforstungen. An dieser Stelle kommen modifizierte Pflanzen ins Spiel. Durch eine effizientere Photosynthese sollen sie mehr CO2 fixieren und damit der Atmosphäre entziehen können. Noch gibt es sie zwar nur im Computer, aber der Bioinformatiker Dandekar und seine Koautoren konnten zeigen, dass sich zwei Stoffwechselwege – gemeinsam in Chloroplasten eingebracht – optimal ergänzen würden (Trends Biotechnol., doi: 10.1016/j.tibtech.2019.12.019).
Das Schlüsselenzym der Kohlenstofffixierung ist bei Pflanzen die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase (kurz Rubisco). Im Calvin-Zyklus überträgt sie das aus der Luft aufgenommene CO2 auf den Fünffachzucker Ribulose-1,5-bisphosphat. Schon in der Schule lernt man, dass die Rubisco alles andere als effizient arbeitet. Neben CO2 akzeptiert sie nämlich auch molekularen Sauerstoff als Substrat. „Diese sogenannte Photorespiration ist aus zwei Gründen ein Problem“, erklärt der Würzburger Forscher. „Zum einen verbraucht sie ATP, ohne dass CO2 fixiert wird. Zum anderen geht der Kohlenstoff verloren, der in der Ribulose-1,5-bisphosphat steckt, denn das Produkt Glykolat wird aus dem Chloroplasten heraustransportiert.“ Bei den C3-Pflanzen, zu denen die meisten unserer heimischen Gewächse sowie viele Nutzpflanzen wie Weizen, Reis und Soja gehören, gehen auf diese Weise zwischen dreißig und fünfzig Prozent der Kohlenstofffixierungsleistung verloren!
Schon lange versuchen Botaniker deshalb, hier nachzubessern. Warum nicht einfach die Oxygenasefunktion der Rubisco ausschalten? „Die Rubisco ist ein sehr archaisches Enzym. Alle Varianten, die wir kennen, besitzen die Oxygenasefunktion“, erklärt Dandekar. „Auch Versuche, die Rubisco so zu verändern, dass sie Sauerstoff nicht mehr als Substrat verwenden kann, haben bisher noch keine nennenswerten Erfolge geliefert.“ Eine alternative Lösung, den Glykolat-Transporter zu blockieren und einen zusätzlichen Stoffwechselweg einzusetzen, wurde von Donald Ort und Mitarbeitern vor kurzem in Science vorgeschlagen (363: 45). „Dazu ist vielleicht nicht einmal ein gentechnischer Eingriff nötig, denn eine entsprechende Mutation könnte längst in der Natur in Mikroorganismen entstanden sein“, vermutet Dandekar. Globale Sequenzierungsprojekte, wie die auf Plankton fokussierten Tara-Oceans-Expeditionen, könnten da Aufschluss geben. „Da erwartet uns auf jeden Fall die eine oder andere Überraschung“, ist der Bioinformatiker überzeugt.
Doch selbst wenn die Forscher fündig werden – irgendwann kommt wohl immer die Gentechnik ins Spiel. Denn am besten wäre es, wenn man direkt Nutzpflanzen optimieren, und dabei durch die bessere CO2-Fixierung auch gleich den Ertrag steigern könnte. Praktische Studien dazu gibt es bereits. Eine ist die oben erwähnte aus der Gruppe von Ort, in der der Glykolat-Transporter in Chloroplasten von Tabakpflanzen ausgeschaltet und gleichzeitig ein Kreislauf eingefügt wurde, der das Glykolat wiederverwertet. Dazu mussten die Autoren zwei neue Enzyme, die Glykolatdehydrogenase aus der Alge Chlamydomonas reinhardtii und die Malatsynthase aus dem Riesenkürbis Cucurbita maxima in die Tabakpflanze einfügen. „Dieser Weg erfüllt zwei Funktionen“, erklärt Dandekar, der diesen sogenannten AP3-Weg in seine Modellierung aufgenommen hat. „Zum einen geht der Kohlenstoff aus dem Glykolat nicht verloren. Zum anderen wird in dem Kreislauf an zwei Stellen CO2 abgespalten.“ Die erhöhte CO2-Konzentration lässt die Rubisco effektiver arbeiten. „Die Ausbeute in jungen Pflanzen konnte so gesteigert werden“, sagt der Bioinformatiker. Wie gut ältere Pflanzen mit der Modifikation zurechtkommen, muss jedoch noch besser untersucht werden.
Thomas Dandekar und Muhammad Naseem bringen die pflanzliche CO2-Fixierung an ihre Grenzen. Foto: Uni Würzburg
Anstatt lediglich die Folgen der Photorespiration zu mindern, kann man aber auch gleich einen ganz neuen Kohlenstofffixierungsweg entwerfen, so wie es Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie in Marburg getan hat. Sein Crotonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA-Weg (CETCH) existiert zwar bisher nur im Reagenzglas, kann dort aber pro Kreislauf zwei Moleküle CO2 fixieren (Science 354: 900). Die Übertragung des CO2-Moleküls findet hier durch eine Reduktive Enoyl-CoA-Carboxylase statt, die keine Seitenreaktion mit Sauerstoff zeigt und fünfzigmal schneller arbeitet als die Rubisco. Die Würzburger haben den CETCH-Weg zusammen mit dem AP3-Weg in einer Pflanzenzelle modelliert. Beide ergänzen sich nahezu perfekt: So produziert der CETCH-Weg mit Glyoxylat und Malat Substrate für den AP3-Weg, während letzterer CO2 bereitstellt. Aber warum überhaupt zwei unabhängige Kohlenstofffixierungswege in einer Zelle? „Die Idee ist, den CETCH-Weg Stück für Stück einzuführen. Wenn er perfekt läuft, kann man darüber nachdenken, den Calvin-Zyklus auszuschalten – am besten über einen induzierbaren Knock-out der Rubisco“, so der Wissenschaftler.
Der praktischen Umsetzung half ein Glücksfall: Dandekars Mitarbeiter und Erstautor Muhammad Naseem erhielt eine Professur an der Zayed University in Abu Dhabi, der Hauptstadt der Vereinigten Arabischen Emirate. Dort widmet er sich im Labor den gentechnischen Experimenten, kehrt aber regelmäßig für Modellierungen nach Würzburg zurück. „Parallel zum Fortschritt der praktischen Arbeit wollen wir die jeweiligen Schritte am Computer nachbilden“, so Dandekar. Naseem wird sowohl mit einer Reisvariante experimentieren, die einen AP3-ähnlichen Weg besitzt, als auch mit den Modellpflanzen Tabak und Arabidopsis. Anwendungen haben die Forscher schon einige im Kopf, wobei die Verwendung von gentechnisch veränderten Organismen in Ländern wie Deutschland nur unter strengen Auflagen möglich ist. Dandekar sieht das nicht unbedingt als Problem für seine optimierten Pflanzen: „Pflanzen mit AP3-Weg sind vor allem für Länder interessant, in denen hohe Temperaturen und Trockenheit die Photorespiration fördern und das Wachstum von Nutzpflanzen erschweren“, fasst Dandekar zusammen. „Auf den Philippinen wird beispielsweise bereits erfolgreich Vitamin-A-produzierender ‚Goldener Reis’ angebaut. Hier wäre unser im Hinblick auf die CO2-Fixierung optimierter Reis eine gute Ergänzung.“
Sogar die Betonproduktion, bei der typischerweise viel CO2 ausgast, steht im Fokus der Wissenschaftler, seit sie vor Jahren von einer Heidelberger Zementfirma darum gebeten wurden, den Prozess CO2-ärmer zu gestalten. Damals war das noch nicht möglich. „Die Kohlenstofffixierleistung unserer Organismen hätte mindestens fünfmal so hoch sein müssen, um für die Firma interessant zu sein“, berichtet Dandekar. „Jetzt könnten wir das schaffen.“ Dafür könnten modifizierte Kieselalgen direkt zu den Sandgruben gebracht werden, die die Firma in der marokkanischen Wüste betreibt. Außerhalb der Wasserbecken hätten Algen, die auf Zusatzstoffe im Becken zum Wachsen angewiesen sind, keine Möglichkeit der Ausbreitung. Das bei der Betonproduktion ausgasende CO2 könnte dagegen in die Becken eingeleitet und dort fixiert werden. Falls nicht Metagenomik-Anstrengungen sogar eine Alge finden, die ohne Gentechnik perfekt für diese Aufgabe geeignet ist.
Im Ringen um neue Strategien für den Klimaschutz sieht Dandekar auch eine Chance. „Wir haben jetzt noch etwa zehn Jahre Zeit, bevor der Klimawandel in Krisenregionen schwerste Schäden anrichtet. Diese Zeit sollten wir nutzen, um in alle Richtungen zu forschen. Erst wenn wir gute und sichere Wege gefunden haben, sollten wir aktive Wege zur CO2-Verminderung im großen Maßstab anwenden.“ Aber die auch 2030 vermutlich immer noch fehlende Reduktion der CO2-Emissionen werde uns nicht erlauben, solche Strategien zu ignorieren.