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31.07.2018Kohlendioxid als Rohstoff? – TU München feiert Forschungserfolg
Forschern um Arne Skerra von der Technischen Universität München (TUM) ist es zum ersten Mal gelungen, in einer biotechnologischen Reaktion gasförmiges CO2 als einen Grundstoff für die Produktion eines chemischen Massenprodukts zu verwenden: der Aminosäure Methionin. Es deute sich an, dass auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse die erste industrielle Hochdurchsatzanwendung mit CO2 als Rohstoff gelingen könnte.

Methionin ist eine essentielle Aminosäure, die vor allem in der Tiermast in großem Maßstab eingesetzt wird. Viele in großen Mengen benötigte Aminosäuren werden bereits fermentativ hergestellt – unter anderem vom deutschen Spezialchemiekonzern Evonik. Fermentative Verfahren zur Produktion von Methionin haben sich hingegen noch nicht durchgesetzt. Das neu entwickelte, enzymbasierte Verfahren könnte nun die bisherige petrochemische Produktion ersetzen. Die Ergebnisse der Forscher der TUM wurden Ende Juli in der Zeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.

„Ausgehend von der Überlegung, dass Methionin in Mikroorganismen von Enzymen unter Abgabe von CO2 zu Methional abgebaut wird, versuchten wir diesen Prozess umzukehren“, erklärt Arne Skerra, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische Chemie. Mit diesem Konzept hatte sich Skerra an einer 2013 veröffentlichten Ausschreibung des Unternehmens Evonik beteiligt, neue Methionin-Herstellungswege vorzuschlagen. Evonik prämierte die Idee und förderte das Projekt. Die derzeit gängige industrielle Herstellung von Methionin erfolgt in einem 6-stufigen chemischen Prozess aus petrochemischen Ausgangsstoffen, bei der unter anderem hochgiftige Blausäure benötigt wird. Der Biotech-Vorschlag wurde damals auf Rang 3 nach zwei alternativen chemischen Herstellungswegen gesetzt. Nicht ohne Stolz berichtet Skerra gegenüber transkript.de, dass sein enzymatischer Ansatz nun gegenüber den beiden zunächst aussichtsreicher eingeschätzten Methoden zum Erfolg geführt hat.

Die TUM feiert daher die Arbeit ihrer Forscher als „Durchbruch bei industrieller CO2-Nutzung”. In mehrjähriger Arbeit gelang es TUM-Professor Skerra, dem Postdoc Lukas Eisoldt und der Doktorandin Julia Martin, die Reaktion im Labormaßstab bis zu einer Ausbeute von 40% zu verbessern. „Im Vergleich zur komplexen Photosynthese, in der die Natur ebenfalls auf biokatalytischem Wege CO2 als Baustein in Biomoleküle einbaut, ist unser Verfahren hochelegant und einfach“, berichtet Skerra. „Die Photosynthese verwendet 14 Enzyme und hat eine Ausbeute von nur 20%, während unsere Methode bloß zwei Enzyme benötigt.“ Das Grundmuster dieser neuartigen biokatalytischen Reaktion könne künftig auch Vorbild für die industrielle Herstellung anderer wertvoller Aminosäuren oder von Vorprodukten für Arzneimittel sein.

Das Team 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. Den Forschern zufolge scheiterten bisher Versuche, das klimaschädliche Treibhausgas stofflich zu verwerten, am äußerst hohen Energieaufwand, der dazu nötig ist. Evonik hat sich das geistige Eigentum mit Fokus auf die Methioninherstellung gesichert und wägt derzeit seine Optionen ab. Vor anderthalb Jahren hatte sich das Chemieunternehmen für einen Millionenbetrag bereits eine Technologie der französischen Firma Metabolic Explorer zur fermentativen Herstellung von Methionin aus Pflanzenrohstoffen gesichert. Seitdem ist es allerdings um das Projekt still geworden.