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Mikroorganismen nutzen Wasserstoff als Energiequelle. Der Schlüssel dazu sind Hydrogenasen, die Metalle in ihrem katalytischen Zentrum tragen. Um die Biokatalysatoren in Zukunft für die Wasserstoffumwandlung nutzen zu können, arbeiten Forschende weltweit daran, den Ablauf des Katalyseprozesses aufzuklären. Ein Team aus drei Max-Planck-Instituten (MPI), dem Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration (BIN) der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), der Universität Kiel und der FACCTs GmbH nutzte eine Besonderheit des Wasserstoffs, um die Signale der Magnetresonanzspektroskopie zu verstärken. So gelang es, bisher unbekannte Zwischenschritte der Wasserstoffumwandlung sichtbar zu machen.
Als Ersatz für fossile Brennstoffe, Energieträger oder Katalysator in chemischen Prozessen – Wasserstoff gilt als guter Kandidat für eine nachhaltige Energiewirtschaft. Auf der Erde kommt das Element vor allem in gebundener Form vor, in Wasser, als Wasserstoffgas oder in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl. Um Wasserstoff in reiner Form zu gewinnen, muss er mithilfe von Energie aus der chemischen Verbindung abgespalten werden. Das derzeit am weitesten verbreitete Verfahren zur Wasserstoffherstellung ist die Dampfreformierung von Erdgas. Dabei entsteht jedoch auch klimaschädliches Kohlendioxid (CO₂). Bei der katalytischen Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser wiederum werden bisher meist Elektroden aus dem Edelmetall Platin eingesetzt. Das macht die Wasserstoffproduktion mittels Katalyse vergleichsweise teuer.
Viele Mikroorganismen haben diesen Prozessen etwas voraus. Um zur Energiegewinnung Wasserstoff abzuspalten, nutzen sie drei verschiedene Typen von Hydrogenasen, die ohne Edelmetalle funktionieren und kein CO2 freisetzen: [NiFe]-Hydrogenasen aus Archaeen und Bakterien, [FeFe]-Hydrogenasen aus Bakterien, manchen Algen und manchen anaeroben Archaeen sowie [Fe]-Hydrogenasen, die nur in Archaeen vorkommen. Letztere spielen eine Schlüsselrolle in der Methanogenese, bei der CO2 zu Methan (CH4) reduziert wird. Die homodimere [Fe]-Hydrogenase enthält pro Untereinheit ein redox-inaktives Eisen (Fe), das an einen Guanylylpyridinol-Kofaktor gebunden ist.
Während Zwischenprodukte im katalytischen Zyklus von [NiFe]-Hydrogenasen und [FeFe]-Hydrogenasen bereits gut untersucht sind, waren die katalytischen Zwischenprodukte von [Fe]-Hydrogenasen nicht nachweisbar – bis jetzt. Forschende um Stefan Glöggler (MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) und BIN der UMG, Lukas Kaltschnee (MPI-NAT und BIN der UMG; aktuell an der TU Darmstadt), Christian Griesinger (MPI-NAT) und Seigo Shima (MPI für Terrestrische Mikrobiologie) haben jetzt zusammen mit Kolleg*innen des MPI für Kohlenforschung, der Universität Kiel und der FAccTs GmbH die Zwischenprodukte in der von [Fe]-Hydrogenasen katalysierten Reaktion erstmals beobachtet.
Dabei machten sich die Forschenden zunutze, dass Wasserstoff abhängig von seinem Kernspin als sogenannter Parawasserstoff und Orthowasserstoff vorkommt. Sie zeigten, dass es bei der Magnetresonanzspektroskopie zu einer Signalverstärkung kommt, wenn die [Fe]-Hydrogenase mit Parawasserstoff reagiert. Diese sogenannte Parawasserstoff-induzierte Polarisation (PHIP) ermöglichte es, die Zwischenprodukte der Reaktion zu identifizieren und sichtbar zu machen, wie die [Fe]-Hydrogenase den Wasserstoff während der Katalyse bindet.
Die Daten der Wissenschaftler*innen weisen darauf hin, dass während der Katalyse ein Hydrid am Eisenzentrum gebildet wird. Die neue Methode ermöglichte es auch, die Bindungskinetik zu untersuchen. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit ist die PHIP nicht zuletzt vielversprechend, um sie auf lebende Zellen anzuwenden und den Wasserstoffmetabolismus in vivo zu erforschen. Die Ergebnisse könnten zukünftig dazu beitragen, (Bio-)Katalysatoren zur Wasserstoffumwandlung mit höherer Produktivität zu entwickeln.
Dr. Stefan Glöggler
Max-Planck-Forschungsgruppe NMR-Signalverstärkung
Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften & Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration der Universitätsmedizin Göttingen
E-Mail: stefan.gloeggler@mpinat.mpg.de
Prof. Dr. Christian Griesinger
Leiter der Abteilung NMR-basierte Strukturbiologie
Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften
Tel: 49 551 201-2200
E-Mail: cigr@nmr.mpinat.mpg.de
Dr. Seigo Shima
Forschungsgruppe Microbial Protein Structure
Max Planck Institute for Terrestrial Micrology
Tel. +49 6421 178-100
E-Mail: shima@mpi-marburg.mpg.de
Lukas Kaltschnee, Andrey N. Pravdivtsev, Manuel Gehl, Gangfeng Huang, Georgi L. Stoychev, Christoph Riplinger, Maximilian Keitel, Frank Neese, Jan-Bernd Hövener, Alexander A. Auer, Christian Griesinger, Seigo Shima, Stefan Glöggler:
Parahydrogen-enhanced magnetic resonance identification of intermediates in the active [Fe]-hydrogenase catalysis.
Nature Catalysis XXX, XXX-xxx (2024)
DOI: 10.1038/s41929-024-01262-w
https://www.nature.com/articles/s41929-024-01262-w
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler
Chemie, Energie, Physik / Astronomie, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Kooperationen
Deutsch
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