Durchbruch bei industrieller CO2-Nutzung

Pro­fes­sor Arne Sker­ra von der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM) ist es zum ers­ten Mal gelun­gen, in einer bio­tech­ni­schen Reak­ti­on gas­för­mi­ges CO2 als einen Grund­stoff für die Pro­duk­ti­on eines che­mi­schen Mas­sen­pro­dukts zu ver­wen­den. Es han­delt sich um Methio­nin, das als essen­ti­el­le Ami­no­säu­re vor allem in der Tier­mast in gro­ßem Maß­stab ein­ge­setzt wird. Das neu ent­wi­ckel­te enzy­ma­ti­sche Ver­fah­ren könn­te die bis­he­ri­ge petro­che­mi­sche Pro­duk­ti­on erset­zen. Die Ergeb­nis­se wur­den nun in der Zeit­schrift „Natu­re Cata­ly­sis“ ver­öf­fent­licht.

Die heu­te gän­gi­ge indus­tri­el­le Her­stel­lung von Methio­nin erfolgt in einem 6‑stufigen che­mi­schen Pro­zess aus petro­che­mi­schen Aus­gangs­stof­fen, bei der unter ande­rem hoch­gif­ti­ge Blau­säu­re benö­tigt wird. Im Rah­men einer Aus­schrei­bung lud das Unter­neh­men Evo­nik Indus­tries – einer der welt­weit größ­ten Her­stel­ler von Methio­nin – im Jahr 2013 Hoch­schul­for­sche­rin­nen und ‑for­scher ein, neue Ver­fah­ren vor­zu­schla­gen, mit dem sich die Sub­stanz gefahr­lo­ser her­stel­len lässt. Im Lau­fe des bis­her ver­wen­de­ten Pro­zes­ses ent­steht das tech­nisch unpro­ble­ma­ti­sche Zwi­schen­pro­dukt Methio­nal, das in der Natur als Abbau­pro­dukt von Methio­nin vor­kommt.

Zusam­men mit dem Post­doc Lukas Eisoldt begann Sker­ra, die Rah­men­be­din­gun­gen für den Her­stel­lungs­pro­zess zu ermit­teln und die nöti­gen Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren (Enzy­me) her­zu­stel­len. Die Wis­sen­schaft­ler unter­nah­men ers­te Ver­su­che und erprob­te, wel­cher CO2-Druck nötig wäre, um in einem bio­ka­ta­ly­ti­schen Pro­zess Methio­nin aus Methio­nal her­zu­stel­len. Über­ra­schend ergab sich eine uner­war­tet hohe Aus­beu­te schon bei rela­tiv nied­ri­gem Druck – etwa ent­spre­chend dem Druck in einem Auto­rei­fen von zir­ka zwei Bar.

Auf­grund der bereits nach einem Jahr erziel­ten Erfol­ge ver­län­ger­te Evo­nik die För­de­rung, und nun unter­such­te das Team, ver­stärkt durch die Dok­to­ran­din Julia Mar­tin, die bio­che­mi­schen Hin­ter­grün­de der Reak­ti­on und opti­mier­te mit Hil­fe von Pro­te­in-Engi­nee­ring die betei­lig­ten Enzy­me.

Effizienter als die Photosynthese

In mehr­jäh­ri­ger Arbeit gelang es schließ­lich, die Reak­ti­on im Labor­maß­stab nicht nur bis zu einer Aus­beu­te von 40 Pro­zent zu ver­bes­sern, son­dern auch die theo­re­ti­schen Hin­ter­grün­de der bio­che­mi­schen Abläu­fe auf­zu­klä­ren.

Das Grund­mus­ter die­ser neu­ar­ti­gen bio­ka­ta­ly­ti­schen Reak­ti­on kann künf­tig auch Vor­bild für die indus­tri­el­le Her­stel­lung ande­rer wert­vol­ler Ami­no­säu­ren oder von Vor­pro­duk­ten für Arz­nei­mit­tel sein. Das Team von Pro­fes­sor Sker­ra wird das inzwi­schen paten­tier­te Ver­fah­ren durch Pro­te­in-Engi­nee­ring nun so weit ver­fei­nern, dass es sich für die groß­tech­ni­sche Anwen­dung eig­net.

Damit könn­te es zum ers­ten Mal einen bio­tech­no­lo­gi­schen Her­stel­lungs­pro­zess geben, der gas­för­mi­ges CO2 als unmit­tel­ba­ren che­mi­schen Grund­stoff nutzt. Bis­her schei­ter­ten Ver­su­che, das kli­ma­schäd­li­che Treib­haus­gas stoff­lich zu ver­wer­ten, an dem äußerst hohen Ener­gie­auf­wand, der dazu nötig ist.