Wie CO₂ zu Kunststoff, Kosmetik und Medikamenten wird

Die chemische Industrie ist noch immer stark von endlichen Rohstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle abhängig. Viele alternative Ansätze setzen auf Zucker und Biomasse, doch deren Anbau benötigt wertvolle Flächen und steht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. „Unser Ziel ist es, die Herstellung von Chemikalien sowohl von fossilen als auch von pflanzlichen Rohstoffen zu entkoppeln“, sagt Dr. Steffen Lindner-Mehlich, Wissenschaftler am Institut für Biochemie der Charité und Leiter des jetzt gestarteten Projekts CarboNcare. „Denn wir wollen die chemische Industrie nachhaltiger machen, ohne die Ernährungssicherheit zu gefährden. Dafür greifen wir tief in die biotechnologische Trickkiste.“

Das Ziel der Forschenden ist es, eine CO₂-Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen: Also das Kohlendioxid, das beispielsweise durch Verbrennung eines Plastikprodukts am Ende seines Lebenszyklus in die Atmosphäre gelangt, auch als Basis für dessen Herstellung zu nutzen. Im Idealfall entsteht so ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf ohne zusätzliche Emissionen. Der erste Schritt auf diesem Weg ist heute schon möglich: Methanol – ein zentraler Grundstoff der chemischen Industrie – lässt sich bereits aus CO₂ herstellen, das aus der Atmosphäre gewonnen wird.

Bakterielle Fabriken sollen Laktat, Succinat und Butandiol produzieren

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im CarboNcare-Projekt widmen sich nun dem zweiten Schritt, nämlich der Umwandlung von Methanol in wichtige Zwischenprodukte wie Laktat, Succinat und 2,3-Butandiol. Aus ihnen stellt die Industrie Medikamente (zum Beispiel Tablettenbeschichtungen), Lebensmittel (zum Beispiel Konservierungsmittel und Geschmacksverstärker), Biokunststoffe, Kosmetik (zum Beispiel Lippenstifte, Cremes) oder Kautschuk für die Reifenfertigung her. Wie winzige biologische Fabriken sollen diese Methanol-Umwandlung künftig Bakterien übernehmen. „Wir programmieren die beiden bereits industriell genutzten Bakterienstämme Escherichia coli und Pseudomonas putida genetisch so um, dass sie Methanol ‚fressen‘ und Laktat, Succinat oder Butandiol ausscheiden“, erklärt Steffen Lindner-Mehlich.

Das ist allerdings leichter gesagt als getan, denn Bakterien würden die Energie, die sie aus ihrem Futter gewinnen, normalerweise größtenteils in das eigene Wachstum stecken, anstatt chemische Produkte herzustellen. „Deshalb koppeln wir das Wachstum der Bakterien an die Herstellung der gewünschten Chemikalien“, erläutert der Projektleiter. „Wenn die Bakterien also wachsen wollen, müssen sie gleichzeitig das Zielmolekül produzieren. Dieser Ansatz erhöht nicht nur die Ausbeute, sondern macht die Prozesse auch robuster und besser planbar – ein entscheidender Faktor für die industrielle Anwendung.“

Optimierung für den industriellen Einsatz

Um die Stoffwechselwege der Bakterien so umfassend umzugestalten, will das Projektteam die biochemischen Vorgänge zunächst am Computer simulieren, bevor die nötigen Eingriffe in die bakteriellen Organismen vorgenommen werden. „Wir haben neben der Molekularbiologie aber auch die industrielle Skalierung im Blick“, betont Steffen Lindner-Mehlich. Deshalb soll der Fermentationsprozess so aufgesetzt werden, dass er später auch im industriellen Maßstab zuverlässig funktioniert, und wird in Bezug auf Ökobilanz und Wirtschaftlichkeit analysiert werden. Die dafür nötige interdisziplinäre Expertise bringen acht europäische Partner aus Wissenschaft und Industrie in das Projekt CarboNcare ein.

„Wir wollen eine ernstzunehmende nachhaltige Alternative zu etablierten Produktionswegen in der chemischen Industrie entwickeln“, betont Steffen Lindner-Mehlich. „Damit Kunststoffe, Kosmetika und andere Produkte des täglichen Bedarfs künftig klimaneutral hergestellt werden können.“ Wie groß das Potenzial dieses Ansatzes sein könnte, zeigt der Bedarf an Grundchemikalien: Allein der weltweite Markt für Laktat betrug 2021 rund 2,9 Milliarden Euro und wächst weiter.