idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Medienpartner:
Wissenschaftsjahr


Teilen: 
11.01.2010 12:46

Wasserstoff aus dem Reagenzglas: Bochumer Forscher nutzen Wasserstofffabrik der Grünalge

Dr. Josef König Pressestelle
Ruhr-Universität Bochum

    Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft: Ohne Ausstoß von CO2 und Schadstoffen lässt sich daraus Strom gewinnen. Die umweltfreundliche Herstellung ausreichender Mengen Wasserstoffs beschäftigt daher die Forschung seit langem. Als mikroskopisch kleine Fabrik steht dabei die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii im Mittelpunkt, die unter Stress Wasserstoff bilden kann. Bochumer Biologen ist es jetzt gelungen, die dafür verantwortlichen Bestandteile der Alge zu isolieren und die Produktion ins Reagenzglas zu verlegen. "Dieses natürliche System erzeugt sechsmal so viel Wasserstoff wie ein halb-artifizielles, über das amerikanische Kollegen erst kürzlich berichtet haben",

    sagt Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. Thomas Happe. Darüber hinaus klärten die Forscher die Reaktion im Detail auf und ebneten so den Weg zur Optimierung der Wasserstoffausbeute. Die Forscher berichten im Journal of Biological Chemistry.

    Notlösung für die Alge

    Für die Grünalge ist die Wasserstoffproduktion eine Notlösung. Während sie die durch die Photosynthese gewonnene Energie unter normalen Bedingungen in Zellvermehrung und Wachstum investiert, fehlen ihr dafür bei Nährstoffmangel die Bausteine. Um die bei der Photosynthese aus Lichtenergie gewonnenen Elektronen trotzdem loszuwerden, setzt die Alge sie mit Hilfe eines speziellen Enzyms, der Hydrogenase, mit Protonen zu Wasserstoff um, den sie an ihre Umgebung abgibt. Schon lange experimentiert die Forschung mit Algenreaktoren, die auf diese Weise Wasserstoff herstellen. "Dieser langgehegte Traum der Forschung von der Erschließung der Solarenergie konnte bislang aber leider nur sehr ineffektiv umgesetzt werden", erklärt Prof. Happe.

    Drei Komponenten im Reagenzglas genügen

    Der Bochumer Arbeitsgruppe um Prof. Happe ist es nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Münster gelungen, den bislang nur unzureichend verstandenen grünalgenspezifischen Prozess der Wasserstoffbildung durch Kombination der Hydrogenase mit ausgewählten Proteinen der Photosynthesekette im Reagenzglas nachzubilden. Sie isolierten dafür getrennt voneinander die für die Lichtaufnahme erforderlichen Photosynthesekomplexe, das als Elektronenvermittler dienende Ferredoxin PetF und die wasserstoffproduzierende [FeFe]-Hydrogenase HydA1, die sie dann unter Belichtung vereinten. "Bereits nach wenigen Minuten ist eine deutlich lichtabhängige Wasserstoffbildung feststellbar, die nur einsetzt, wenn alle drei Komponenten enthalten sind", so Prof. Happe.

    Sechsmal mehr Wasserstoff als in halb-artifziellen Systemen

    Die Wasserstoffbildung durch die natürlichen Komponenten im Reagenzglas zeigte sich dabei erstaunlich effektiv im Vergleich mit anderen Ansätzen. Erst kürzlich berichteten US-amerikanische Forscher aus Tennessee von der Etablierung eines semiartifiziellen Systems zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion mit flächig aufgelagerten Photosynthesekomplexen und Platin-Nanopartikeln, welche die Katalysatorfunktion einer Hydrogenase ersetzen. Ihren Angaben zufolge liegt die Ausbeute, die mit einer großtechnischen Anlage unter optimalen Bedingungen gewonnen werden könnte, um eine Größenordnung über der Kraftstoffausbeute, die heute mit landwirtschaftlichen Mitteln in der Produktion von Biodiesel oder Bioethanol erzielt werden kann [Iwuchukwu et al.; 2009; Nature Nanotechnology]. "Die in dieser Studie erreichte Wasserstoffbildungsrate von hochgerechnet drei Litern pro Gramm Chlorophyll und Tag wird vom natürlichen System der Grünalgen bereits im Reagenzglas um das sechsfache übertroffen", entgegnet Prof. Happe.

    Wechselwirkung im Detail geklärt

    Ferner gelang es der Bochumer Arbeitsgruppe, den genauen Kopplungsmechanismus von Photosynthese und Wasserstoff-bildendem Enzym experimentell auf molekularer Ebene aufzuklären. Von entscheidender Bedeutung scheinen dabei hochgradig spezifische Ladungswechselwirkungen zwischen den Proteinoberflächen von Ferredoxin und Hydrogenase zu sein. "Mit dem Verständnis dieser Protein-Protein-Wechselwirkung eröffnen sich nun verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung der natürlichen Wechselwirkungseffizienz beider Proteine", schätzt Prof. Happe. "Das könnte in Zukunft sowohl mit dem lebenden Organismus als auch mit enzymbasierten semiartifiziellen Systemen eine wirtschaftlich interessante und ökologisch vorbildliche Wasserstoff-Produktion ermöglichen."

    Titelaufnahme

    Martin Winkler, Sebastian Kuhlgert, Michael Hippler and Thomas Happe: Characterization of the Key Step for Light-driven Hydrogen Evolution in Green Algae. In: JBC, VOLUME 284, NUMBER 52, DECEMBER 25, 2009, DOI 10.1074/jbc.M109.053496

    Weitere Informationen

    Prof. Dr. Thomas Happe, AG: Photobiotechnologie, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-27026, E-Mail: Thomas.Happe@rub.de

    Redaktion: Meike Drießen


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Biologie, Umwelt / Ökologie
    überregional
    Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
    Deutsch


    Lichtabhängige Wasserstoffbildung in einer verschlossenen Grünalgenkultur. Links: Wasserstoffbildung in einer verschlossenen, unter Schwefel-Mangel kultivierten C. reinhardtii-Kultur. Rechts: Unter Nähstoffmangel fließen bei Grünalgen die in der Photosynthese durch Lichtaufnahme angeregten Elektronen aus der Wasserspaltung in die H2-Bildung. Der entscheidende Schritt ist die Wechselwirkung zwischen dem aus der Photosynthesekette stammenden Ferredoxin PetF und der [FeFe]-Hydrogenase HydA1. Die Hydrogenase setzt zwei nacheinander aufgenommene Elektronen mit H+-Ionen zu Wasserstoff um, der schließlich aus der Zelle entweicht.


    Zum Download

    x

    Rekonstruktion der lichtabhängigen Wasserstoffproduktion von Grünalgen im Reagenzglas. Unabhängig voneinander aufgereinigte Proteine (PC: Plastocyanin; PetF: Ferredoxin) bzw. Proteinkomplexe (Photosystem I) der Photosynthesekette von C. reinhardtii werden in einem Reagenzglas mit Hydrogenase (HydA1Cr) vermischt. Die ausschließlich unter Belichtung einsetzende Wasserstoffproduktion wird mittels Gaschromatographie im Gasraum des Reagenzglases nachgewiesen.


    Zum Download

    x

    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).

    Cookies optimieren die Bereitstellung unserer Dienste. Durch das Weitersurfen auf idw-online.de erklären Sie sich mit der Verwendung von Cookies einverstanden. Datenschutzerklärung
    Okay