Forscher der Technischen Universität München haben ein solarbetriebenes System entwickelt, das Kohlendioxid und erneuerbaren Wasserstoff in Aminosäuren umwandelt. Das modulare, enzymbasierte Verfahren befindet sich derzeit in der Machbarkeitsstudie und hat noch keine kommerzielle Anwendung. Es zeigt jedoch, dass erneuerbarer Strom, CO₂-Abscheidung und biochemische Produktion als zusammenhängende Prozesse funktionieren können.
Wie das Enzymsystem funktioniert
Der Prozess verläuft in mehreren Schritten. Zunächst wird aus erneuerbarem Strom durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff verbindet sich mit Kohlendioxid zu Methanol. Spezialisierte Enzyme wandeln das Methanol anschließend in einer Reihe von Reaktionen in Aminosäuren um, die Grundbausteine der Proteine.
Das Team beschreibt das Design als „Plug-and-Play“. Enzymmodule können je nach Zielverbindung ausgetauscht oder angepasst werden. Die neueste Version produziert sieben Aminosäuren. Frühere Arbeiten hatten die Methode bereits für L-Alanin allein demonstriert. Die neue, in Nature Communications veröffentlichte Studie ergänzt sie um Glycin, Serin, L-Asparaginsäure, L-Valin, L-Glutaminsäure und L-Prolin.
Viktoria Lehmann, Doktorandin am Lehrstuhl für Chemie biogener Ressourcen der TUM, erklärte, dass Aminosäuren in Tierfutter weit verbreitet seien, um den Proteinbedarf, insbesondere in der Milchproduktion, zu decken. Sie fügte hinzu, dass die bestehenden Produktionsmethoden zu viele Ressourcen verbrauchten.
Das TUM-Team stellt seine Forschung in den Kontext eines drängenden Problems der Landwirtschaft. Prognosen der Vereinten Nationen deuten darauf hin, dass der weltweite Nahrungsmittelbedarf bis 2050 um rund 60 Prozent steigen könnte. Die verfügbare landwirtschaftliche Nutzfläche wird im gleichen Zeitraum voraussichtlich nur geringfügig zunehmen.
Der Kontext der Ernährungssicherheit
Diese Lücke führt zu einem verstärkten Interesse an Proteinlieferketten, die weniger auf Land, Wasser und energieintensive Nutzpflanzen angewiesen sind. Die konventionelle Aminosäureproduktion verbraucht erhebliche Mengen dieser Ressourcen. Ein solarbetriebener, CO₂-basierter Ansatz würde die Abhängigkeit von diesen Ressourcen zumindest prinzipiell verringern.
Volker Sieber, Professor für Chemie biogener Ressourcen und Rektor des TUM Campus Straubing, erklärte, das Projekt wandle Sonnenlicht in chemische Energieträger um, bevor diese in nützliche Proteinbausteine umgewandelt würden. Er sagte, dieser Ansatz könne langfristig die Produktivität der verfügbaren Flächen verbessern und eine nachhaltigere Aminosäureproduktion ermöglichen.
Diese Behauptungen müssen noch im großen Maßstab überprüft werden. Die Forscher räumen ein, dass die derzeitige Leistung für einen kommerziellen Einsatz viel zu gering ist.
Das TUM-Team identifiziert Anwendungsmöglichkeiten jenseits der Tierernährung. Die sieben Aminosäuren, die das System derzeit produziert, sind auch wichtige Bestandteile von Nährmedien für die Produktion von kultiviertem Fleisch. Diese Anwendung verbindet die Technologie mit einem separaten, aber verwandten Vorhaben zur Reduzierung des Flächenbedarfs der Proteinversorgung.
Mögliche Anwendungsgebiete jenseits von Tierfutter
Die Forscher glauben, dass dieselbe Plattform letztendlich auch andere CO₂-basierte Wertschöpfungsketten unterstützen könnte, geben aber in den veröffentlichten Materialien nicht an, welche.
Die unmittelbare technische Priorität liegt in der Verbesserung der Enzymleistung. Die Ausbeute bleibt der limitierende Faktor. Die Diskrepanz zwischen Labordemonstration und industrieller Fertigung ist erheblich, und das Team spricht offen über diese Diskrepanz.
Was die Forschung zeigt und was nicht
Dies ist eine Demonstration im Bereich der synthetischen Biologie. Sie zeigt, dass der chemische Syntheseweg realisierbar ist. Sie beweist jedoch nicht, dass sich mit diesem Verfahren Aminosäuren in kostengünstigen Mengen herstellen lassen.
Die Veröffentlichung in Nature Communications ist die primäre verifizierte Quelle. Die TUM hat weder einen kommerziellen Partner noch eine Pilotanlage angekündigt. Ein Zeitplan für die Produktionsausweitung wurde noch nicht veröffentlicht.
Für Investoren und politische Entscheidungsträger, die den Markt für alternative Proteine beobachten, ist die Forschung aus einem bestimmten Grund bemerkenswert: Sie verknüpft drei separate Technologiebereiche – erneuerbare Energien, die direkte Nutzung von CO₂ aus der Luft und präzisionsfermentationsnahe Biochemie – zu einer Produktionskette. Jeder dieser Bereiche zieht bereits erhebliche Investitionen an. Ein System, das alle drei integriert, könnte, bei deutlich verbesserten Erträgen, die Wirtschaftlichkeit der Aminosäureversorgung für Futtermittel- und Lebensmittelhersteller grundlegend verändern.
Die Forscher selbst äußern sich zurückhaltend. Ihre Arbeit deutet auf eine weniger flächenintensive Methode zur Gewinnung von Rohstoffen hin, auf die moderne Lebensmittelsysteme angewiesen sind. Ob ein industrielles Verfahren dieser Art jemals realisiert werden kann, hängt von Fortschritten in der Enzymtechnik ab, die dem aktuellen Stand der Wissenschaft noch voraus sind.
