Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Enzym aus Algen bildet den Kraftstoff von morgen: Entdeckung ebnet den Weg für optimierte Hydrogenasen

19.11.2009
Warum Sauerstoff tödlich ist für die biologische Wasserstofffabrik

Von einer mikroskopisch kleinen Grünalge wollen sich Forscher "eine Scheibe abschneiden": Hocheffizient und ohne Treibhausgasemission kann eines ihrer Enzyme molekularen Wasserstoff produzieren - den umweltfreundlichen Kraftstoff der Zukunft.

Einen Haken hat die Sache aber: Das Ganze funktioniert nur unter Ausschluss von Sauerstoff. Kommt Luft ins Spiel, geht die Wasserstofffabrik sofort und endgültig zugrunde, was die großtechnische Nutzung des Enzyms erschwert. Warum Sauerstoff so zerstörerisch wirkt, haben Bochumer Biologen

um Prof. Dr. Thomas Happe gemeinsam mit Kollegen aus Oxford und Berlin auf molekularer Ebene untersucht.

Ergebnis: Sauerstoffatome docken am selben Bindungsort an wie das eigentliche Substrat, der Wasserstoff. Durch Elektronenübertragung entstehen aggressive Sauerstoffformen, die Teile des Enzymkerns attackieren. Ziel der Forscher ist es jetzt, das Enzym gegen Sauerstoff unempfindlich zu machen. Sie berichten in den Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) und im Journal of the American Chemical Society (JACS).

Wasserstoff: zukunftsträchtiger Energieträger

Molekularer Wasserstoff (H2) gilt als idealer Energieträger der Zukunft. In Kombination mit effizienten Brennstoffzellen liefert seine Verbrennung umweltfreundlich erzeugte Elektrizität. Es wird dabei keinerlei Treibhausgas frei, sondern nur reines Wasser. Wasserstoff wird allerdings bisher in großen Mengen nur aus fossilen Energieträgern wie Erdöl hergestellt. In der Natur gibt es aber Vorbilder für eine einfache, saubere und sehr effektive Produktion von Wasserstoff. Bestimmte Proteine, so genannte Hydrogenasen, wirken als Katalysatoren und können aus Elektronen und Protonen molekularen Wasserstoff herstellen. Ein Protein kann bis zu 9.000 Moleküle Wasserstoff pro Sekunde produzieren.

Grünalgen produzieren Wasserstoff bei Energieüberschuss

Diese Hydrogenasen kommen auch in Grünalgen vor, die mittels Energie aus Sonnenlicht Wasser zu Sauerstoff, Protonen (H+) und Elektronen (e-) spalten können. Dank der Hydrogenase haben die Grünalgen u. a. die Möglichkeit, überschüssige Energie in Form von Elektronen auf Protonen zu übertragen, wobei Wasserstoff entsteht. In der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie am Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen erforscht Prof. Dr. Thomas Happe die Zusammenhänge von Photosynthese und Wasserstoffproduktion am Beispiel der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Diese photosynthetisch aktiven Algen geben unter Schwefelmangelbedingungen große Mengen Wasserstoff an ihre Umgebung ab. Seit dieser Entdeckung im Jahr 2000 gilt die photobiologische Wasserstoffproduktion als viel versprechende Möglichkeit zur Herstellung von umweltfreundlichem Wasserstoff.

Der katalytisch aktive Kern

Die AG Photobiotechnologie arbeitet an der biochemischen und biophysikalischen Charakterisierung der für die Wasserstoffproduktion verantwortlichen Enzyme. Die Hydrogenasen verfügen über einen besonderen Eisen-Schwefel-Kern (der so genannte H-Kluster), an dem die Bildung von Wasserstoffgas mit extrem hoher Geschwindigkeit katalysiert wird. Der H-Kluster besteht aus einem Kern aus vier Eisen- und vier Schwefelatomen (4Fe-4S-Kern), der über eine Schwefelverbindung an ein weiteres Kluster mit zwei Eisen- und zwei Schwefelatomen (2Fe-2S-Kluster) gebunden ist. Dieses Subkluster besitzt ungewöhnliche Kohlenstoffmonoxid- und Cyanid-Liganden und ist der Bindungsort für den Wasserstoff.

Inaktivierung der Hydrogenase durch Sauerstoff

"Da es für die Nutzung der Hydrogenasen als biologische Katalysatoren zur Produktion von Wasserstoff gilt, ihre extreme Sauerstoffempfindlichkeit zu überwinden, fragen wir uns: Warum werden alle Hydrogenasen so schnell und irreversibel durch Luftsauerstoff inaktiviert?", erklärt Prof. Happe. In enger Zusammenarbeit mit Kollegen aus Oxford und Berlin gelang es ihm und seinem Doktoranden Sven Stripp nun, den Mechanismus der Inaktivierung der Enzyme auf atomarer Ebene aufzuklären. Mit Hilfe modernster biophysikalischer Methoden wie Proteinfilm-Elektrochemie und Röntgenabsorptionsspektroskopie fanden die Forscher heraus, dass das Sauerstoff-Molekül genau wie das eigentliche Substrat, der Wasserstoff, an das 2Fe-2S-Kluster gebunden wird. Allerdings geht die zerstörerische Wirkung des Sauerstoff-Moleküls offenbar nicht direkt von seiner Bindung an dieses Kluster aus. Vielmehr konnten die Forscher zeigen, dass das weiter entfernte 4Fe-4S-Cluster kurz nach der Bindung des O2-Moleküls nicht mehr nachweisbar ist, also zerstört wird. Die Wissenschaftler postulieren, dass durch eine Übertragung von Elektronen auf den gebundenen Sauerstoff, aggressive "reaktive" Sauerstoffvarianten (reactive oxygen species) entstehen, die dann in einer zweiten Reaktion Teile des 4Fe-4S-Kluster attackieren, dem bis dato keine Relevanz für die Sauerstoffsensitivität der Hydrogenasen zugeschrieben wurde.

Hochdurchsatz-Roboter-Technologie hilft bei der Suche

Diese Entdeckung ebnet den Weg für eine gezielte Modifikation der Hydrogenase, die sie gegenüber Luftsauerstoff unempfindlicher machen soll. "Wir arbeiten an einem viel versprechenden Ansatz, der die Prinzipien der "gerichteten Evolution" und des "Rationalen Protein Designs" kombiniert", so Prof. Happe. Die hierbei erzeugten Enzymvarianten werden mit einem einfachen Screening-Verfahren auf erhöhte Sauerstoff-Toleranz getestet. Auf das Arbeitsprogramm zugeschnitten wird weltweit erstmals unter Sauerstoffabschluss ein Roboter System installiert, das sowohl ein effizientes Screening der Enzymbibliotheken ermöglicht, als auch eine automatisierte Anzucht und Analyse von Kristallen sauerstoffsensibler Proteine gewährleistet, welche für die Strukturaufklärung der neuen Enzyme notwendig sind.

Titelaufnahmen

Sven T. Stripp, Gabrielle Goldet, Caterina Brandmayr, Oliver Sanganas, Kylie A. Vincent, Michael Haumann, Fraser A. Armstrong and Thomas Happe: How oxygen attacks [FeFe] hydrogenases from photosynthetic organisms. In: PNAS 2009 106:17331-17336; published online before print September 28, 2009, doi:10.1073/pnas.0905343106

Gabrielle Goldet, Caterina Brandmayr, Sven T. Stripp, Thomas Happe, Christine Cavazza, Juan C. Fontecilla-Camps and Fraser A. Armstrong: Electrochemical Kinetic Investigations of the Reactions of [FeFe]-Hydrogenases with Carbon Monoxide and Oxygen: Comparing the Importance of Gas Tunnels and Active-Site Electronic/Redox Effects. In: J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (41), pp 14979-14989 DOI: 10.1021/ja905388j

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

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der Evolutionsvorteil der Strandschnecke
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Mobile Goldfinger
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit