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Regenerative Wasserstoffproduktion: Optimierte Elektronenübertragung zwischen Proteinen

Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben in Kooperation mit Kollegen der Pennsylvania State University ein biologisches System konstruiert, das mit Lichtenergie Wasserstoff herstellt. Die Forscher veränderten ein lichtaktiviertes Protein und ein wasserstoffproduzierendes Enzym derart, dass Elektronen effizient von einem zum anderen Protein wanderten.

"Wasserstoff hat ein großes Potential als regenerativer Energieträger", erklärt Professor Dr. Thomas Happe aus der Arbeitsgruppe (AG) Photobiotechnologie, an der Fakultät für Biologie und Biotechnologie der RUB. "Derzeit wird aber sämtlicher industriell hergestellter Wasserstoff aus fossilen Energieträgern gewonnen", erklärt der Biologe weiter.

Regenerative Wasserstoffproduktion

Industriell geeignete Katalysatoren für die regenerative Wasserstoffproduktion gibt es nicht, aber die in der Natur vorkommenden Proteine Photosystem II, Photosystem I und Hydrogenase führen genau die dafür erforderlichen Aufgaben aus. Lichtgetrieben spaltet das Photosystem II Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Die dabei frei werdenden Elektronen leitet es zum Photosystem I, welches - ebenfalls lichtgetrieben - die Elektronen zur Hydrogenase transportiert. Dieses Enzym setzt Elektronen und Protonen zu Wasserstoff um. "Allerdings gibt es nur wenige Organismen, die natürlicherweise alle drei Proteinkomplexe vereinen", erklärt Dr. Philipp Knörzer, AG Photobiotechnologie der Fakultät für Biologie und Biotechnologie der RUB. "In allen ist der Elektronentransfer vom Photosystem I auf die Hydrogenase sehr ineffizient." Und genau an dieser Stelle haben die Wissenschaftler angesetzt.

Schnelle Elektronenleitung

Damit Elektronen effizient vom Photosystem I zur Hydrogenase fließen, koppelten die Forscher beide Proteine über ein kurzes organisches Molekül (Dithiol), den so genannten Linker. In beiden Proteinen mutierten sie zunächst gezielt eine Aminosäure im elektronenleitenden Bereich, um eine Bindestelle für den Linker zu schaffen. Hydrogenase, Photosystem I und Linker bildeten anschließend spontan einen Komplex, wenn die Forscher sie zusammengaben. In dem Komplex maßen sie einen Transfer von 105 Elektronen pro Sekunde; ohne Linker fand kein messbarer Elektronenfluss statt. "Die Elektronenleitung ist extrem schnell", erklärt Happe und fügt hinzu: "Schneller als bei der natürlichen Photosynthese in Pflanzen. Man würde denken, dass ein biologisches System, das sich über Jahrmillionen entwickelt hat, nicht noch zu verbessern ist."

Bereits in früheren Studien testete das Team um Professor Happe Linker, um Elektronen zwischen Photosystem I und Hydrogenase zu leiten. In den vergangenen zwei Jahren variierten die Biologen verschiedene Parameter, wie etwa die Länge des Moleküls, und optimierten so den Linker. "Dadurch ist die Wasserstoffproduktion 70 bis 80 Mal höher als in früheren Versuchen. Außerdem produzierte das künstliche System stabil Wasserstoff über einen Zeitraum von drei Monaten", berichtet der Biologe. "Da kommen wir schon in den wirtschaftlich interessanten Bereich." Zurzeit sei die Wasserstoffproduktion allerdings noch von einem Zusatzstoff, dem Ascorbat, abhängig, der die notwendigen Elektronen liefert. Um Wasserstoff komplett regenerativ aus Wasser herzustellen, müsse das System in Zukunft noch um das Protein Photosystem II erweitert werden. Unterstützt wird das Forschungsprojekt von der Volkswagen-Stiftung.

Die Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (C.E. Lubner, A.M. Applegate, P. Knörzer, A. Ganagoc, D.A. Bryant, T. Happe, J.H. Golbeck (2011): Solar hydrogen-producing bionanodevice outperforms natural photosynthesis, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1114660108) veröffentlicht.

(Bilder: Philipp Knörzer, RUB) Metadaten anzeigen: Autor verbergen | Schlagworte