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23.09.2014

Genetisch veränderte Enzyme ermöglichen eine effiziente Produktion von Wasserstoff


Wasserstoff als regenerativer Treibstoff, produziert in riesigen Wassertanks voller Algen, die dafür lediglich Sonnenlicht benötigen: theoretisch ein gutes Konzept, das in der Vergangenheit aber vor allem an seinem massiven Platzbedarf gescheitert ist. Wissenschaftler der Mülheimer Max-Planck-Institute für chemische Energiekonversion und für Kohlenforschung sowie der AG Photobiotechnologie an der Ruhr-Universität Bochum haben nun einen Weg gefunden, die Effizienz der Wasserstoffproduktion in Mikroalgen um das Fünffache zu steigern. Wenn die Algen den Energieträger wirkungsvoller erzeugen, lässt sich dieser auf einer kleineren Fläche mit praxistauglicher Ausbeute gewinnen. Für die Produktion des Wasserstoffs sind dann auch keine seltenen und teuren Edelmetalle mehr nötig, mit deren Hilfe das energiereiche Gas bisher technisch aus Wasser abgespalten wird.

Lebewesen brauchen Elektronen an vielen Stellen, denn sie bauen damit zahllose chemische Verbindungen auf. Algen und andere Photosynthese betreibende Organismen setzen Elektronen mit Hilfe des Sonnenlichtes aus Wasser frei und verteilen sie dann in der Zelle. Dafür ist das eisenhaltige Protein PETF zuständig, es transportiert die Elektronen vor allem an die Ferredoxin-NADP+-Oxidoreduktase (FNR), sodass zunächst NADPH gebildet wird und schließlich aus Kohlenstoffdioxid Kohlenhydrate entstehen. Zu den vielen weiteren Prozessen, für die PETF die Elektronen liefert, gehört auch die Wasserstoffproduktion durch Hydrogenasen. Diese sind sehr leistungsfähige Enzyme, die ein einzigartiges aktives Zentrum aus sechs Eisenatomen enthalten, an dem die angelieferten Elektronen an Protonen gebunden werden. Auf diese Weise entsteht molekularer Wasserstoff.

Mit Hilfe der sogenannten kernmagnetischen Resonanzspektroskopie, auf der auch die medizinische Kernspintomografie beruht, untersuchten die Wissenschaftler um Sigrun Rumpel, Postdoktorandin am Mülheimer Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, welche Bestandteile, genauer gesagt Aminosäuren, von PETF mit der Hydrogenase und welche mit FNR interagieren. Es zeigte sich, dass zwei Aminosäuren von PETF nur für die Bindung an FNR wichtig sind. Indem die Forscher diese beiden Aminosäuren und das Enzym FNR gezielt genetisch veränderten, konnte das PETF nicht mehr so effizient an FNR binden. Das Enzym lieferte daher weniger Elektronen an FNR und übertrug sie stattdessen vermehrt an die Hydrogenase. Auf diese Weise steigerten die Wissenschaftler die Wasserstoff-Produktion um das Fünffache.

"Damit die Wasserstoffproduktion mithilfe von Algen technisch anwendbar wird, muss ihre Effizienz im Vergleich zum natürlichen Prozess insgesamt um das 10- bis 100-fache steigen", sagt Sigrun Rumpel. "Wir haben mit der gezielten genetischen Veränderung von PETF und FNR jetzt bereits einen großen Schritt in diese Richtung gemacht." Bisher wird für die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energieträgern Wasser elektrolytisch gespalten. Dafür werden derzeit teure und seltene Edelmetalle wie Platin benötigt, sodass Wasserstoff noch nicht mit anderen Treibstoffen konkurrieren kann. Sigrun Rumpel und andere Forscher arbeiten daher daran, den Energieträger von Algen produzieren zu lassen. Natürlicherweise erzeugen die Mikroorganismen das Gas aber mit sehr geringer Ausbeute. Daher müssten immense Flächen mit Tanks voller Algenkulturen zugestellt werden, um annähernd den Bedarf Deutschlands zu decken, falls Fahrzeuge künftig einmal nicht mehr mit Benzin und Diesel, sondern mit Wasserstoff betrieben würden.

"Die Ergebnisse haben eine große Bedeutung auf dem Weg hin zu einer wettbewerbsfähigen, regenerativen Erzeugung von Treibstoffen mit Hilfe von Mikroalgen", sagt Sigrun Rumpel. Die Veränderung der Elektronentransferwege könnte die Wasserstoffproduktion in Zukunft noch weiter verbessern. Daher wollen die Forscher nun verschiedene Modifikationen miteinander kombinieren.

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Quelle: Max-Planck-Gesellschaft




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