Nachhaltige Proteinproduktion Wie Sonnenstrom künftig Futtermittel-Aminosäuren ersetzen könnte

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Ein Forschungsteam der TUM hat gezeigt, dass sich mithilfe von Sonnenenergie, Wasserstoff und CO₂ gleich sieben verschiedene Aminosäuren herstellen lassen. Der modulare „Plug-and-Play“-Ansatz gilt als technologischer Machbarkeitsnachweis für eine ressourcenschonendere Proteinbaustein-Produktion.

Viktoria Lehmann, Doktorandin am Lehrstuhl für Chemie biogener Rohstoffe an der TUM, beschreibt ein mögliches Einsatzfeld biotechnologisch hergestellter Aminosäuren: „Eine Milchkuh braucht weit mehr als das Gras auf ihrer Weide. Für hohe Milchleistungen werden zusätzliche Proteine benötigt, die heute meist über Futtermittel bereitgestellt werden. Diese werden mit Aminosäuren angereichert, den chemischen Bausteinen, aus denen Proteine aufgebaut sind. Auch in anderen Bereichen der Tierhaltung werden weltweit Millionen Tonnen Aminosäuren als Futtermittelzusätze eingesetzt. Deren Herstellung beansprucht jedoch große Flächen, Wasser und weitere Ressourcen. Wir haben nach einem Weg gesucht, diesen Proteinbedarf ressourcenschonender decken zu können.“

In einer kürzlich erschienenen Studie demonstriert das Team seinen Ansatz. Die Idee dahinter: Sonnenenergie wird per Photovoltaik in Strom umgewandelt. Mit diesem Strom lässt sich Wasserstoff erzeugen, der gemeinsam mit Kohlendioxid zur Herstellung von Methanol genutzt wird, also einem Alkohol, der in der Industrie vielfach als chemischer Ausgangsstoff dient. Spezielle Enzyme wandeln das Methanol anschließend schrittweise zu Aminosäuren um. Welche Aminosäure gebildet wird, hängt davon ab, welche Enzyme eingesetzt werden.

„Pflanzen nutzen Sonnenlicht zur Bildung von Biomasse. Sie sind dabei aber nicht sehr effektiv. Wir untersuchen einen alternativen Weg, bei dem erneuerbare Energie zunächst in chemische Energieträger und anschließend in wertvolle Proteinbausteine überführt wird“, sagt Volker Sieber, Professor für Chemie biogener Rohstoffe und Rektor des TUM Campus Straubing. „Langfristig könnte dies dazu beitragen, Flächen ertragreicher zu nutzen und die Herstellung von Proteinbausteinen nachhaltiger zu gestalten.“

Von der Einzellösung zum modulares Baukastensystem

Bereits 2023 hatten die Forschenden die Produktion der Aminosäure L-Alanin aus grünem Methanol demonstriert. Mit der aktuellen Arbeit erweitern sie den Ansatz auf insgesamt sieben Aminosäuren. „Unser modulares „Plug-and-Play“-Konzept kann man sich wie ein Baukastensystem vorstellen. Was zunächst mit einer einzelnen Aminosäure begann, entwickelt sich zunehmend zu einer Plattformtechnologie für die Herstellung von Proteinbausteinen aus erneuerbarer Energie“, sagt Dr. Vivian Willers, dessen Doktorarbeit das Fundament der Studie legte.

Dem Team gelang es, die Aminosäuren Glycin, Serin, L-Asparaginsäure, L-Valin, L-Glutaminsäure und L-Prolin zu produzieren. Dies könnte künftig helfen, den Bedarf an proteinreichen – aber nicht immer nachhaltig produzierten – Futtermitteln wie Soja zu reduzieren. Darüber hinaus sind sie zentrale Bestandteile von Nährmedien für die Herstellung von kultiviertem Fleisch. Die Forschenden sehen daher Einsatzmöglichkeiten weit über die klassische Landwirtschaft hinaus.

Zwar konnten die Forschenden die gesamte Prozesskette von Kohlendioxid über Methanol bis hin zur Aminosäure zeigen, allerdings reichen die erzielten Produktmengen für eine wirtschaftliche Nutzung noch nicht aus. Die Forschenden arbeiten daher daran, die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Enzyme weiter zu steigern. „Unsere Arbeit ist vor allem ein technologischer Machbarkeitsnachweis“, sagt Prof. Volker Sieber. „Wir zeigen, dass sich eine ganze Reihe biologisch relevanter Aminosäuren aus CO₂-basiertem Methanol herstellen lässt. Das eröffnet neue Perspektiven für die nachhaltige Produktion von Proteinbausteinen.“

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