Am Anfang steht ein Stoff, der vor allem als Problem gilt: das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid. In der Bioökonomie wird CO₂ jedoch zunehmend als Rohstoff der Zukunft verstanden, auch, weil nachwachsende Ressourcen allein den Kohlenstoffbedarf langfristig wohl kaum decken können. Zwar sind Pflanzen und einige Mikroorganismen in der Lage, CO₂ zu binden. Doch ihr Stoffwechsel ist das Ergebnis von Millionen Jahren Evolution und darauf ausgerichtet, zu überleben und sich fortzupflanzen, und nicht darauf, gezielt industrielle Produkte herzustellen. Für chemisch-technische Anwendungen sind diese natürlichen Prozesse daher oft zu langsam und ineffizient. 

Der erste Schritt besteht darin, das stabile CO₂-Molekül überhaupt reaktiv zu machen. Dafür braucht es chemisch nutzbare Energie. In der Natur treibt Sonnenlicht die Photosynthese an. Pflanzen speichern die Lichtenergie in zwei Stoffen zwischen: sogenannte Cofaktoren, die mit NAD(P)H und ATP abgekürzt werden. Diese Moleküle dienen als grundlegende „Energiewährungen“ in Lebewesen, auch im Menschen. Bestimmte Enzyme der Pflanzen nutzen diese Stoffe und wandeln so das energiearme CO₂ in energiereichen Zucker um. 

Im zweiten Modul des Projekts wird dieser Baustein gezielt weiterverarbeitet. Über möglichst kurze Abfolgen von enzymatischen Reaktionen entstehen aus Acetyl-CoA unterschiedliche chemische Produkte, je nachdem, welche Reaktionswege „programmiert“ werden. Das Spektrum reicht von Lösungsmitteln wie Butanol über Aromaten bis hin zu Terpenen, die etwa in der Pharma-, Kosmetik- oder Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. 

Beim Fraunhofer IGB liegt der Fokus dabei auf einem spezifischen Molekül: Phloroglucin. Dieser aromatische Baustein gilt als wichtiger Ausgangsstoff für die pharmazeutische Industrie und analytische Chemie. Er wird unter anderem zur Herstellung von Wirkstoffen eingesetzt, die krampflösende Eigenschaften haben, und dient darüber hinaus als Zwischenprodukt für Farbstoffe, Kunstharze oder bestimmte Hochleistungsmaterialien. Gerade weil Phloroglucin heute meist noch auf petrochemischen Wegen hergestellt wird, gilt eine nachhaltige, CO₂-basierte Produktion als besonders attraktiv.

Die Entscheidung, alle Reaktionen außerhalb lebender Zellen laufen zu lassen, hat weitreichende Konsequenzen. In Mikroorganismen wird ein großer Teil der verfügbaren Energie dafür benötigt, die Zellen am Leben zu erhalten und ihr Wachstum zu ermöglichen. In einem zellfreien System entfällt dieser „Eigenbedarf“ vollständig und die eingebrachte Energie kann nahezu vollständig in die gewünschte Produktbildung fließen.

Darüber hinaus lassen sich im Reagenzglas deutlich höhere Konzentrationen bestimmter Stoffe erreichen, als es in lebenden Zellen möglich wäre. Viele Zielmoleküle, darunter Lösungsmittel wie Butanol, wirken bereits in moderaten Mengen toxisch und bremsen das Wachstum der Produzenten aus. Enzymkaskaden in einem zellfreien System können hingegen so konstruiert werden, dass sie auch unter Bedingungen stabil arbeiten, die für Mikroorganismen längst tödlich wären. Dadurch eröffnen sich Produktionswege, die in vivo, also in lebenden Zellen, kaum realisierbar sind.

Trotz dieser Vorteile bringt der in‑vitro‑Ansatz auch erhebliche Herausforderungen mit sich. Lebende Zellen bringen ein komplettes biologisches Grundgerüst mit, vom Stoffwechsel bis zur Vermehrung. Im zellfreien System muss jede Funktion künstlich bereitgestellt werden. Das betrifft nicht nur einzelne Enzyme und Cofaktoren, sondern die gesamte Umgebung für Energieumwandlung, Regenerationsmechanismen und die räumliche Organisation der Reaktionen. Zudem sind zellfreie Systeme meist nur begrenzt stabil und erfordern eine präzise Abstimmung aller Komponenten, um über längere Zeit effizient zu arbeiten. Dass es dennoch funktionieren kann, demonstrieren die Forschenden nun in eCO₂DIS.

Noch ist eCO₂DIS ein Forschungsprojekt im Labormaßstab, ein „Proof of Concept“, der zeigen soll, dass sich CO₂ mithilfe von Strom und Enzymen in komplexe und wertvolle chemische Produkte umwandeln lässt. In Technologiereifegraden gesprochen, bringt das Projekt die Technologie von Stufe 2-3, also der Formulierung und experimentellen Bestätigung des Konzepts, bis zur Stufe 4-5, dem Funktionsnachweis im Labor und in der Einsatzumgebung. Die wirtschaftliche Perspektive ist dabei von Anfang an mitgedacht. Statt auf einfache, günstige Massenchemikalien als Endprodukte zu zielen, konzentriert sich der Ansatz bewusst auf hochwertige Produkte wie Terpene, Aromaten oder spezielle Alkohole. In diesen Bereichen könnten CO₂-basierte Verfahren schneller konkurrenzfähig werden und den Einstieg in industrielle Anwendungen ermöglichen. 

Gleichzeitig ist klar: eCO₂DIS wird nicht die eine Lösung für eine klimaneutrale Industrie liefern. Vielmehr fügt sich das Projekt in ein größeres Bild ein. Eine nachhaltige Bioökonomie wird auf verschiedenen Säulen stehen, von erneuerbaren Energien und nachwachsenden Rohstoffen über effiziente Kreisläufe bis hin zu neuen biotechnologischen und synthetischen Verfahren. Mit ihrem Ansatz eröffnen die Forschenden im Projekt eine zusätzliche Option, Kohlenstoffdioxid gezielt zu nutzen und im Kreislauf zu führen.

Langfristig soll daraus ein grundlegender Wandel entstehen. Wenn es gelingt, CO₂ als verlässlichen Rohstoff zu etablieren, kann sich die chemische Industrie von fossilen Quellen lösen und zugleich unabhängiger von begrenzten Biomasseressourcen werden. Für Tobias Erb ist das Teil einer größeren Vision: Technologien wie eCO₂DIS könnten dazu beitragen, erneuerbare Energie direkt mit biochemischer Produktion zu verknüpfen, und so neue industrielle Wertschöpfungsketten schaffen. Ob und in welcher Form sich die konkreten Konzepte durchsetzen, ist noch offen. Doch schon heute zeigt sich, dass hier mehr entsteht als ein einzelnes Verfahren. eCO₂DIS steht exemplarisch für eine neue Generation von Technologien, die Biologie nicht nur versteht, sondern gezielt gestaltet. Das Projekt eröffnet damit Wege, CO₂ vom Klimaproblem zum Baustein einer nachhaltigen Zukunft zu machen.