Die durchschnittliche Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre betrug im Jahr 2021, 419 Teile pro Million und ist damit schätzungsweise die höchste Konzentration in den letzten 800 000 Jahren. Dafür sind mehrere Faktoren verantwortlich, wie zum Beispiel die Industrie, die Abholzung der Wälder und die rasche Urbanisierung. Eine so hohe Kohlendioxidkonzentration wirkt sich negativ auf die gesamte Biosphäre aus.

Ein natürlicher Ansatz, um die CO₂-Konzentration der Atmosphäre zu senken, ist die Aufnahme von CO₂ aus der Atmosphäre durch den Prozess der Photosynthese, der in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien stattfindet.

"Deswegen kann eine wichtige Lösung sein, besonders stark CO₂-speichernde Pflanzen anzubauen, damit man trotz weltweit schrumpfender Waldflächen dennoch die CO₂-Speicherung erhöhen kann."¹

Hierzu ein kleiner Exkurs in das Pflanzenreich, um für dieses Thema wichtige Aspekte der CO₂-Umwandlung in Pflanzen besser verstehen zu können.

Nicht alle Pflanzen betreiben diese für uns lebenswichtige Leistung, die Photosynthese, auf die gleiche Weise. Angepasst an die jeweiligen klimatischen Bedingungen an ihrem Standort, haben verschiedene Pflanzen unterschiedliche Photosynthesewege entwickelt. Der zentrale Unterschied besteht in der Art und Weise der CO₂-Bindung in den Pflanzenzellen.

90 % aller Pflanzen gehören zu den sogenannten C3-Pflanzen. Dazu zählen zum Beispiel die Kartoffel, Bäume, Soja, Reis oder Weizen. Drei Prozent der Pflanzen bezeichnet man als C4-Pflanzen, wie beispielsweise jene aus der Familie der Wolfsmilchgewächse, Mais und Amarant. Die restlichen sieben Prozent werden als CAM-Pflanzen benannt. Hierbei handelt es sich hauptsächlich um Pflanzen aus suptropischen und tropischen Gebieten, wie Kakteen, Orchideen und der Ananas.

RuBisCo (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase) ist das Enzym, welches bei der oxygenen Photosynthese in Pflanzen und Bakterien für die Fixierung von CO₂ verantwortlich ist. An dieser Stelle tritt CO₂ in den Stoffwechselkreislauf der Pflanze ein und kann somit im Verlauf der Photosynthese zusammen mit Licht und Wasser, in Glucose und Sauerstoff umgewandelt werden.

Die CO₂-Fixierung durch RuBisCo hat einen zentralen Nachteil: RuBisCo kann nicht nur Kohlenstoffdioxid, sondern auch Sauerstoff binden. Anders als C3-Pflanzen, haben C4- und CAM-Pflanzen Mechanismen entwickelt, um die Bindung von Sauerstoff an RuBisCo, die sogenannte Oxygenase-Aktivität des Enzyms, zu vermeiden. Die Bindung von Sauerstoff an RuBisCo hat zwar keinen direkten negativen Effekt, jedoch wird durch die Besetzung der Bindungsstellen verhindert, dass in dieser Zeit CO₂ vom Enzym umgewandelt werden kann. Die Bindung von O2 an RuBisCo ist folglich ein Prozess, der das Wachstum der Pflanzen einschränkt und energetisch ineffektiv ist.

Im Rahmen des Projekts "Klimafreundliche Pflanzen" versuchen Bioinformatiker der Universität Würzburg unter anderem, C3-Pflanzen so umzuprogrammieren, dass die Bindung von Sauerstoff an RuBisCo reduziert wird und folglich mehr CO2 in den Pflanzenzellen umgesetzt und als Biomasse gespeichert wird.

In diesem Projekt wurden mehrere bereits veröffentlichte synthetische Modelle optimiert. Kombiniert wird der CETCH-Zyklus und die alternative Photosynthese III mit der Blockierung des PLGG1-Rezeptors, wodurch die Rubisco-Oxygenase-Aktivität unterdrückt wird und der Fluss der Metaboliten in die Peroxisomen drastisch reduziert und jener für die Photosynthese wichtigen Enzyme erhöht wird, was zu einer schnelleren und effizienteren CO2-Aufnahme führt.²

Dies kann erreicht werden, indem man die involvierten Stoffwechselwege in der Pflanze künstlich am Computer nachbaut, anschließend optimiert und letztendlich in lebende Pflanzenzellen überführt.