Frage: Wie kann man künstliche Fotosynthese durchführen?

Daniel Marchal Beantwortet am 24 Mrz 2022:

Danke für die Frage. Es gibt verschiedene Formen der künstlichen Photosynthese, je nachdem welcher Teil der Photosynthese abgewandelt wird.
Im Allgemeinen wird in der Photosynthese erst die Energie des Lichts genutzt um ATP (das Batterie-Molekül der Zelle) zu generieren und im zweiten Schritt dieses ATP verbraucht, um mehrere CO2-Moleküle zu einer Längeren Kohlenstoffkette zu verbinden. Das kann beispielsweise ein Zuckermolekül sein.
Der erste Teil des Prozesses, bei dem Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird, läuft bereits super effizient, es macht also mehr Sinn, den zweiten Teil zu optimieren. Dieser Teil – auch als Dunkelreaktion bezeichnet – hat nämlich einen großen Nachteil: in etwa jeder fünften Reaktion wird statt einem CO2 Molekül versehentlich ein O2 (Sauerstoff) Molekül fixiert. Dabei entsteht dann eine toxische Verbindung, die recycelt werden muss. Dieses Recycling kostet Energie und es geht zuvor fixierter Kohlenstoff wieder verloren. Es passiert also genau das Gegenteil des gewünschten Effekts.
Es gibt viele Forschungsgruppen, die sich mit dem Enzym beschäftigen, das CO2 fixiert und versuchen, die Spezifität für CO2 gegenüber O2 zu verbessern. Das geht allerdings oft auf Kosten der Geschwindigkeit, die Photosynthese kann also langsamer werden.
In meiner Doktorarbeit schaue ich daher nicht auf das CO2-fixierende Enzym, sondern auf das Recycling der toxischen Verbindung. Ich kombiniere Enzyme aus verschiedenen Lebewesen, um neue Stoffwechselwege zu bauen, bei denen kein zuvor fixierter Kohlenstoff verloren geht, sondern zusätzliches CO2 fixiert werden kann. Somit wäre es also egal, ob versehentlich O2 gebunden wird oder nicht, da in jedem Fall auch ein CO2 fixiert wird. Bildlich gesprochen wird also eine „Umleitungsstraße“ um eine ineffiziente Straße gebaut, durch die Pflanzen, Algen und grüne Bakterien mit dem gleichen Aufwand deutlich mehr CO2 in Biomasse umwandeln können.