Was ist Rubisco und warum Wissenschaftler es verbessern wollen

Das Protein, das die Welt ernährt

Jedes Weizenblatt, jedes Reiskorn, jeder Apfel, der an einem Baum hängt, verdankt seine Existenz einem einzigen Enzym: Rubisco. Rubisco, kurz für Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase, ist das Protein, das Kohlendioxid aus der Luft zieht und es in die Zucker umwandelt, die das gesamte Pflanzenwachstum antreiben. Es ist, gemessen an der Masse, das am häufigsten vorkommende Protein der Erde – Wissenschaftler schätzen, dass es etwa 5 kg Rubisco pro lebender Person gibt, verteilt auf Wälder, Felder und Ozeane. Mehr als 90 % des gesamten anorganischen Kohlenstoffs, der in lebende Materie umgewandelt wird, durchläuft es.

Doch trotz all seiner Bedeutung ist Rubisco ein überraschend ungeschicktes Enzym – und Wissenschaftler auf der ganzen Welt wetteifern darum, es zu reparieren, bevor einem wachsenden, sich erwärmenden Planeten das Essen ausgeht.

Wie Rubisco funktioniert

Photosynthese ist der Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um CO₂ und Wasser in Glukose umzuwandeln. Rubisco sitzt im Herzen dieses Prozesses und katalysiert den kritischen Schritt, der als Kohlenstofffixierung bekannt ist – der Moment, in dem ein CO₂-Molekül aus der Atmosphäre ergriffen und an einen Fünf-Kohlenstoff-Zucker gebunden wird, wodurch eine Kette von Reaktionen ausgelöst wird, die letztendlich Nahrung produzieren.

Ohne diesen Schritt gäbe es keine Biomasse, keine Nahrungskette und keinen atembaren Sauerstoff. In diesem Sinne ist Rubisco das wichtigste Enzym auf dem Planeten. Aber die Evolution hat es, wie sich herausstellt, nicht zu einem besonders effizienten gemacht.

Das Ineffizienzproblem

Rubisco entwickelte sich vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in einer Atmosphäre, die fast vollständig frei von Sauerstoff war. Damals funktionierte es perfekt: CO₂ war reichlich vorhanden, Sauerstoff war knapp und Rubisco schnappte sich zuverlässig das richtige Molekül. Das Problem ist, dass sich die Erdatmosphäre seitdem dramatisch verändert hat – und Rubisco hat nicht Schritt gehalten.

In der heutigen sauerstoffreichen Luft verwechselt Rubisco regelmäßig Sauerstoff mit CO₂ und löst eine verschwenderische Nebenreaktion namens Photorespiration aus. Dieser Prozess kann bis zu 25–30 % der Energie verbrauchen, die eine Pflanze bereits in die Photosynthese investiert hat, wodurch die Pflanze im Wesentlichen gezwungen wird, bereits geleistete Arbeit rückgängig zu machen. Darüber hinaus ist Rubisco nach Enzymstandards außergewöhnlich langsam und verarbeitet nur 2–10 CO₂-Moleküle pro Sekunde – verglichen mit Tausenden von Reaktionen pro Sekunde bei vielen anderen Enzymen. Um dies auszugleichen, müssen Pflanzen enorme Mengen davon produzieren und bis zu 50 % ihres Blattproteins allein für Rubisco aufwenden.

Das Ergebnis ist ein grundlegender Engpass in der Landwirtschaft. Viele der wichtigsten Grundnahrungsmittel der Welt – Weizen, Reis, Sojabohnen – nutzen den grundlegenden Rubisco-getriebenen Photosyntheseweg und werden daher durch seine Ineffizienz behindert.

Warum es für die Ernährungssicherheit wichtig ist

Laut Forschern des RIPE-Projekts (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) der University of Illinois ist die Verbesserung der photosynthetischen Effizienz einer der vielversprechendsten Wege, um die Ernteerträge drastisch zu steigern, ohne Ackerland zu erweitern oder den Düngemitteleinsatz zu erhöhen. Es steht viel auf dem Spiel: Die globale Nahrungsmittelnachfrage wird bis 2050 voraussichtlich um 50–70 % steigen, da die Bevölkerung wächst und sich die Ernährungsgewohnheiten ändern, während Ackerland und Süßwasserressourcen begrenzt bleiben. Der Klimawandel verschärft den Druck, da Hitze- und Dürrestress die ohnehin schon begrenzte Leistung von Rubisco weiter reduzieren.

Selbst eine bescheidene Verbesserung der Effizienz von Rubisco – beispielsweise die Reduzierung der Photorespiration um 20 % – könnte zu erheblichen Ertragssteigerungen bei Nutzpflanzen führen, die Milliarden von Menschen ernähren.

Lernen von Algen und Hornmoosen

Die Natur hat das Rubisco-Problem bereits gelöst, zumindest in einigen Organismen. Algen und bestimmte Mikroorganismen packen Rubisco in dichte Kompartimente, die als Pyrenoide bezeichnet werden, die das Enzym mit konzentriertem CO₂ überschwemmen und die Wahrscheinlichkeit des kostspieligen Sauerstoffbindungsfehlers drastisch reduzieren. Es wird geschätzt, dass Pyrenoid-basierte Systeme etwa ein Drittel aller CO₂-Fixierung auf der Erde vermitteln.

Die Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wie man etwas Ähnliches in Nutzpflanzen einbauen kann. Ein wichtiger neuer Durchbruch gelang durch die Untersuchung von Hornmoosen – einer bescheidenen Gruppe nicht-vaskulärer Landpflanzen. Im Gegensatz zu anderen Landpflanzen enthalten Hornmoose von Natur aus pyrenoidähnliche Kompartimente. Forscher entdeckten, dass ein einzigartiges molekulares Merkmal des Hornmoos-Rubisco-Proteins, die sogenannte STAR-Region, wie ein biologischer Klettverschluss wirkt und dazu führt, dass sich Rubisco-Moleküle zusammenballen. Entscheidend ist, dass sich Rubisco auf die gleiche Weise reorganisierte, als Wissenschaftler dieses Merkmal in andere Pflanzenarten einführten – was darauf hindeutet, dass der Mechanismus übertragbar ist und eines Tages auf Weizen oder Reis übertragen werden könnte, so Technology Networks.

Der Weg nach vorn

Die Entwicklung eines voll funktionsfähigen Kohlenstoffkonzentrationssystems in wichtigen Nutzpflanzen bleibt eine gewaltige Herausforderung. Forscher müssen noch die molekularen „Kanäle“ bauen, die CO₂ in die neuen Kompartimente transportieren und verhindern, dass es wieder austritt. Der Prozess beinhaltet die gleichzeitige Neuentwicklung mehrerer interagierender Komponenten – eine Aufgabe, die wahrscheinlich jahrelange Feldversuche erfordert, bevor eine gentechnisch veränderte Kulturpflanze Landwirte erreicht.

Dennoch schreitet das Feld rasant voran. Von der gerichteten Evolution von Rubisco selbst bis zur vollständigen Transplantation von Photosyntheseapparaten aus Algen haben Wissenschaftler heute mehr Werkzeuge denn je, um das anzugehen, was möglicherweise die größte unvollendete Aufgabe der Evolution ist. Wenn sie Erfolg haben, könnte sich dies zu den folgenreichsten landwirtschaftlichen Fortschritten der Geschichte entwickeln.