Protein für die menschliche Ernährung stammt normalerweise aus Pflanzen oder aus Tieren. Dieses hier ist aus Luft

Ein halbes Jahr lang suchte Juha-Pekka Pitkänen in der finnischen Wildnis. Dann fand er sie: Bakterien, die ein geradezu biblisches Wunder vollbringen. Sie machen nicht Wein aus Wasser. Sie machen Protein aus Luft.

Im nächsten Jahr, hofft Pitkänen, wird es in Europa in den Läden erhältlich sein, wahrscheinlich als Proteinpulver für Sportler. Das ist im Moment bei Protein der Sektor mit der grössten Wirtschaftlichkeit. Langfristig hat Pitkänen aber ein viel grösseres Ziel: die Erzeugung von Protein für die menschliche Ernährung unabhängig von der Landwirtschaft, mit möglichst wenig Landverbrauch und möglichst wenig Treibhausgasausstoss, in Finnland, in der Wüste, in der Antarktis – oder im Weltall.

Proteinpulver, High-Protein-Joghurt, Proteinwasser: Was noch vor einigen Jahren nur Bodybuilder interessierte, ist jetzt überall. Hierzulande ist das eher ein Lifestyle-Phänomen; tatsächlich zu wenig Protein bekommen allenfalls ältere Menschen. Weltweit hingegen sind Millionen Menschen von einer Unterversorgung mit diesen lebenswichtigen Nahrungsbestandteilen betroffen und deshalb mangelernährt; etwa 250 000 von ihnen sterben jedes Jahr daran.

In den bisherigen etwa 3 Millionen Jahren Menschheitsgeschichte konnte Protein entweder von Tieren oder von Pflanzen kommen. Von der Fischerei abgesehen, ging das nur mit Land: Dort müssen eiweissreiche Pflanzen wie Sojabohnen wachsen, oder dort müssen Tiere leben, die aus Pflanzen Proteine herstellen und deren Milch oder Fleisch auf den Teller kommen können. Einen anderen Weg gab es nicht. Beide Wege aber sind ressourcenintensiv.

Auch andere neue Proteinquellen wie Insekten oder Fleisch aus der Petrischale brauchen Ressourcen, die letztlich aus der Landwirtschaft stammen. Angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung stellt sich die Frage umso mehr, wie sich der Proteinbedarf nachhaltig decken lässt.

Bei Pitkänens Produkt ist der Zusammenhang zwischen Landwirtschaft und Lebensmitteln erstmals entkoppelt. Das Protein stammt nicht aus Pflanzen und nicht aus Tieren. Es ist von Bakterien hergestellt. Die Bausteine des Proteins, Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff aus CO₂, stammen aus der Luft.

Pitkänen arbeitete an der staatlichen finnischen Technologischen Forschungszentrale VTT ursprünglich mit Hefen, die aus organischem Material Bioethanol herstellen. «Bioethanol verlor schnell an Bedeutung. Da habe ich überlegt, welches Bedürfnis die Menschheit noch hat und wie es sich mit einem von Mikroorganismen hergestellten Produkt befriedigen lässt, mit Elektrizität aus erneuerbaren Energien und auf wirtschaftlich tragfähige Weise», erzählt er bei einem Videogespräch. So stiess er auf ein Konzept aus den 1960er Jahren: Bakterien, die mithilfe von Elektrizität Lebensmittel aus Luft herstellen können.

Mit seinem Kollegen Pasi Vainikka gründete er ein Unternehmen, Solar Foods. Sein einziges Produkt ist ein Pulver aus Bakterienprotein, sie nennen es Solein. Kein anderes Unternehmen auf der Welt ist so nah dran, diese Art von Protein für die menschliche Ernährung im grösseren Stil auf den Markt zu bringen.

Bakterien sind einzellige Mikroben, also Mikroorganismen. Die meisten ernähren sich von organischen Substanzen, genau wie der Mensch. Doch einige Bakterienarten sind in der Lage, ihren Stoffwechsel auch an anorganische Substanzen anzupassen und die für ihr Überleben wichtigen Stoffe aus Gasen selbst herzustellen.

Pitkänen und Vainikka entnahmen Hunderte Proben in der finnischen Natur, bis sie im Boden einen Stamm der Gattung Xanthobacter fanden. Er stellte sich als besonders produktiv heraus.

«Gasfermentation läuft ähnlich ab wie Fotosynthese in Pflanzen», erklärt Pitkänen. «Aber statt Licht nutzen die Bakterien Wasserstoff als Energiequelle.»

Mithilfe eines Enzyms lösen sie ein Elektron aus dem Wasserstoffgas und verbinden das Teilchen mit einem Sauerstoffmolekül. Dabei wird Energie frei. Diese nutzen die Bakterien, um CO₂ aus der Luft zu binden und mit Stickstoff in Aminosäuren, Kohlenhydrate und Fettsäuren umzuwandeln. Die Aminosäuren dienen ihnen dann als Bausteine für die Produktion von bakteriellem Protein. Wegen der Organismen, die es herstellen, spricht man von «single-cell protein», Einzellerprotein.

In der Natur entnehmen die Bakterien Wasserstoff, Sauerstoff und CO₂ aus der Umgebung. Solar Foods gewinnt einen Teil dieser gasförmigen Zutaten aus der Luft; zukünftig sollen es möglichst alle sein. Das Verfahren dazu heisst «direct air capture»; es wird auch zur Entfernung von CO₂ aus der Atmosphäre eingesetzt.

Bei einem Teil der Gase gibt es allerdings ein Problem. «Wenn man Wasserstoff und Sauerstoff in einem bestimmten Verhältnis mischt, besteht Explosionsgefahr», sagt Monika Konarzycka-Bessler, die am Fraunhofer-Institut für Molekulare Biologie und Angewandte Ökologie in Aachen die Forschungsgruppe Single Cell Protein leitet. «Und nicht nur ein bisschen, sondern das knallt richtig.»

Pitkänen gibt zu, dass das Hantieren mit Wasserstoff und Sauerstoff zusammen ungewöhnlich ist. Industrielle Prozesse mit explosiven Gasen gebe es aber häufiger. «Es ist eine Frage der mengenmässigen Konzentration», sagt er. Diese werde ständig gemessen und unter der gefährlichen Schwelle gehalten.

Ausser den aus der Luft extrahierten Stoffen werden den Bakterien in der flüssigen Nährlösung auch noch kleine Mengen Stickstoff und Mineralien wie Calcium und Magnesium zugefügt. Nur so können sie Protein herstellen und sich vermehren.

Aus dem entstandenen dickflüssigen Brei schleudert eine Zentrifuge einen Grossteil des Wassers heraus. Das übrige Gemisch wird pasteurisiert und getrocknet zu einem Pulver. Aus 40 Kilogramm Masse wird ein Kilogramm Pulver. Nach Angaben von Solar Foods besteht es zu 80 Prozent aus Protein und enthält alle für Menschen essenziellen Aminosäuren, der Rest sind Ballaststoffe und Fett. Auch Eisen und die anderen zugesetzten Mineralstoffe sind im Endprodukt enthalten, ausserdem reichlich von dem sonst nur in tierischen Nahrungsmitteln zu findenden Vitamin B₁₂.

«Diese Proteine zeigen ein sehr ähnliches Aminosäureprofil wie tierische Proteine», sagt Konarzycka-Bessler. «Deshalb sind sie sehr interessant als alternative Lebensmittel.»

Das Lebensmittel besteht eigentlich aus getrockneten Bakterien. Das klingt ungewohnt, allerdings besteht auch zum Beispiel Trockenhefe aus nichts anderem als getrockneten Mikroben. Die kulturellen und ethischen Hürden dürften eher niedriger sein als bei anderen neuartigen Proteinquellen wie Fleisch aus dem Labor oder Insekten.

Trotzdem kann man Pitkänens Solein in der EU noch nirgendwo kaufen.

2022 liess Singapur als erstes Land auf der Welt das Pulver von Solar Foods als neuartiges Lebensmittel zu; in wenigen ausgewählten Restaurants kann man damit zubereitete Speisen bestellen. In den USA ist Anfang dieses Jahres ein erstes Produkt auf den Markt gekommen: ein Pulver für einen Proteinshake. In den USA hat Solar Foods den offiziellen Status «self-affirmed Generally Recognized as Safe». Damit können Unternehmen ihre Produkte auf den Markt bringen, wenn sie selbst sie für sicher halten.

Die Regelung ist umstritten; die gegenwärtige Regierung hat erklärt, sie abschaffen zu wollen. Dann müssen Hersteller für jedes neuartige Lebensmittel der Zulassungsbehörde umfangreiche Tests und Studien vorlegen, um die Unbedenklichkeit ihres Produkts zu beweisen.

In der EU ist das seit 1997, als die Richtlinie für neuartige Lebensmittel in Kraft trat, ohnehin so. Und dieser Prozess kann dauern. Solar Foods hat im Oktober 2021 den Antrag bei der EU eingereicht.

Pitkänen ist optimistisch, dass die Zulassung noch dieses Jahr erteilt wird. «Zehn Jahre Arbeit kämen dann endlich an ihr Ziel», sagt er.

Konarzycka-Bessler findet die Gründlichkeit der Behörden nicht schlecht. «Ja, es dauert lang, es ist auch sehr bürokratisch. Aber wir müssen wirklich sicherstellen, dass das, was wir produzieren, auch sicher ist. Wir wissen zum Beispiel noch nicht, wie die Langzeitwirkung dieser Bakterienproteine ist.»

Denn diese Bakterien enthalten wie Fleisch auch viele sogenannte Nukleinsäuren, also DNA und RNA. «Wenn Menschen zu viel davon essen, können sie Gicht oder Nierensteine bekommen. Deshalb sollte ein solches Lebensmittel nicht mehr als 2 Gramm Nukleinsäuren pro 100 Gramm Trockenmasse enthalten», erklärt Konarzycka-Bessler. «Die Bakterien haben aber 8 bis 15 Prozent Nukleinsäuren. Das muss man also abreichern. Das kann man machen, es gibt Methoden dafür, macht aber in der Verarbeitung weitere spezielle Schritte nötig.»

Pitkänen versichert, durch eine spezielle Hitzebehandlung würden RNA und DNA zu Monomeren umgewandelt, die sich herausfiltern liessen. Am Ende enthalte das Pulver noch etwa 2 Prozent Nukleinsäuren.

Ausserdem reagierten Menschen unterschiedlich auf Nukleinsäuren. «Ich esse fast jeden Tag Solein und habe bisher keine Probleme bemerkt.»

In den Werbebotschaften von Solar Foods beschreiben die Gründer ihren Anspruch, die Welternährung umzukrempeln. Aber von dem bisher auf dem Markt erhältlichen Proteinshake kann ein Mensch sich nicht dauerhaft gesund ernähren. Das Essen aus Luft ist trotz allem Proteinhype ein ziemliches Nischenprodukt.

«Das wird auch noch einige Zeit so bleiben», prognostiziert Konarzycka-Bessler. «Viele Leute werden weiterhin Fleisch und pflanzliche Proteine essen. Und das ist auch okay. Wir brauchen unterschiedliche Proteinquellen.»

Als Hauptquelle für Protein sieht sie das Produkt nicht. Als Ergänzung zu anderen Nahrungsmitteln könne es jedoch interessant sein, insbesondere für Menschen, die sich vegetarisch oder vegan ernähren.

Und nun könnte es noch eine weitere Zielgruppe geben: Astronauten. Die amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa erwog bereits Ende der 1960er Jahre, mit dieser Methode Astronauten im All ihre Nahrung aus der von ihnen ausgeatmeten Luft herstellen zu lassen. Umgesetzt oder auch nur getestet wurde das bisher nicht – die vorhandenen Möglichkeiten waren einfacher und für die Dauer bisheriger Missionen ausreichend.

Jetzt fassen Raumfahrtorganisationen auch längere Aufenthalte im All ins Auge, und die Frage, was die Menschen auf dem Mond oder der Reise zum Mars essen würden, wird wichtiger. Kürzlich hat die Europäische Raumfahrtbehörde (ESA) eine Kooperation mit Solar Foods bekanntgegeben. Sie will testen, ob die Produktion von Einzellerprotein im Weltall funktioniert.

«Wir müssen dazu erst einmal einen Container bauen, in dem die Gasfermentation stattfinden kann», erklärt Pitkänen. «Für eine wirtschaftliche Produktion auf der Erde müssen wir den Prozess hochskalieren, aber für den Weltraum müssen wir ihn schrumpfen, und er muss autonom ablaufen.» Dieses System wäre dann auch in abgelegenen oder unfruchtbaren Weltregionen anwendbar. «Für Antarktis-Stationen könnte das zum Beispiel in Betracht kommen. Da sind ja schon Menschen – und das liegt wesentlich näher als der Mars.»

Konarzycka-Bessler stellt in ihrem Labor Bakterienprotein her, genau wie Solar Foods. Aber ungeduldig auf die Zulassung der Produkte in der EU zu warten, das tut sie nicht. Wenn Lebensmittel mit Solein irgendwann hier in den Regalen stünden, werde sie sie schon einmal probieren, aus Neugierde. Aber Einzellerprotein so wirklich jeden Tag essen, das, sagt sie, möchte sie nicht.