Die Studie begann mit der Identifizierung entscheidender Gene für den Prozess der Kohlenstofffixierung – der Prozess, bei dem Pflanzen dem CO2 Kohlenstoff entnehmen, um ihn in biologische Moleküle wie Protein, DNA etc. umzuwandeln.

Das Forscherteam fügte die benötigten Gene hinzu und verdrahtete sie neu. Sie fanden heraus, dass viele der “Teile” für die Maschinen, die bereits im Bakteriengenom vorhanden waren, unverändert verwendet werden konnten.

Sie setzten auch ein Gen ein, das es den Bakterien ermöglichte, Energie aus einer leicht verfügbaren Substanz namens Formiat zu gewinnen, die direkt aus Strom und Luft erzeugt werden kann und die dazu geeignet ist, Elektronen an die Bakterien “abzugeben”.

Um den Bakterien beizubringen, den künstlichen Stoffwechselmechanismus zu nutzen, von dem man wusste, dass er Kohlenstoff binden und Kohlenwasserstoffmoleküle produzieren kann, wurde den Bakterien schrittweise die Zuckerernährung abgewöhnt. Es wurde ihnen immer weniger Zucker und viel CO2 und Formiat gegeben. Nach ungefähr einem Jahr der Adaption an die neue Ernährung liefen einige Bakterien die komplette Umstellung durch und leben und multiplizieren sich in einer Umgebung aus reinem CO2. Um zu überprüfen, ob die Bakterien nicht irgendwie andere Nährstoffe “naschen”, wurden einigen der entwickelten E. coli CO2 mit einem schweren Isotop – C13 – zugeführt. Dann wurden die bakteriellen Körperteile gewogen und das Gewicht, das sie zugenommen hatten, überprüfte die Masse, die durch den Verzehr der schwereren Version von Kohlenstoff hinzugefügt werden würde. Die Analyse ergab, dass die Kohlenstoffatome im Körper der Bakterien alle direkt aus CO2 allein extrahiert wurden.

Anschließend machte sich das Forschungsteam daran, die neu entwickelten Bakterien zu charakterisieren. Welche Änderungen waren für die Anpassung an diese neue Ernährung unerlässlich?

Während einige der von ihnen identifizierten genetischen Veränderungen mit dem Überleben des Hungers zusammenhängen könnten, schienen andere die Synchronisation der Schritte zur Herstellung von Bausteinen durch Anhäufung von CO2 zu regeln. “Die Zelle muss ein Gleichgewicht zwischen toxischer Überlastung und Konkurs herstellen”, sagt der Forscher Bar-On.

Weitere Änderungen, die das Team feststellte, betrafen die Transkription – die Regelung, wie bestehende Gene ein- und ausgeschaltet werden. “Weitere Forschungen werden hoffentlich genau herausfinden, wie diese Gene ihre Aktivitäten angepasst haben”, sagt Forscher Ben-Nissan.

Die Forscher glauben, dass die Änderung der Bakterien gesund für unseren Planeten ist. Milo weist darauf hin, dass Biotech-Unternehmen heute Zellkulturen zur Herstellung von Grundchemikalien einsetzen. Solche Zellen – Hefe oder Bakterien – könnten dazu gebracht werden, sich von einer Ernährung mit CO2 und erneuerbarer Energie zu ernähren und so von den großen Mengen Maissirup, von denen sie heute leben, entwöhnt zu werden.

Bakterien könnten weiter angepasst werden, so dass sie ihre Energie nicht aus einer Substanz wie Formiat beziehen, sondern sie könnten sie direkt nach oben bringen – zum Beispiel Elektronen aus einem Sonnenkollektor – und diese Energie dann für die spätere Verwendung als Brennstoff in Form von Kohlenstoff in ihren Zellen speichern. Ein solcher Kraftstoff wäre klimaneutral, wenn die Quelle seines Kohlenstoffs atmosphärisches CO2 wäre.

“Unser Labor war das erste, das die Idee verfolgte, die Ernährung eines normalen Heterotrophen (Organismus, der sich von organischen Substanzen ernährt) zu ändern, um sie in Autotrophie (“living on air”) umzuwandeln”, sagt Milo. "Anfangs schien es unmöglich, aber am Ende haben wir gezeigt, dass es doch machbar ist. Unser Ergebnis ist ein wichtiger Meilenstein bezüglich unseres Zieles einer effektiven, grünen wissenschaftlichen Anwendung.”

(Weizmann-Institut, 1.12.19)