Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mechanismus aufgeklärt: Wie Enzyme Wasserstoff produzieren

20.07.2017

Den entscheidenden Katalyseschritt bei der Wasserstoffproduktion durch Enzyme haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum und der Freien Universität Berlin aufgeklärt. Die Enzyme, sogenannte Hydrogenasen, setzen Elektronen und Protonen effizient zu Wasserstoff um. Sie sind daher ein Kandidat für die biotechnologische Herstellung des potenziellen Energieträgers. „Um Wasserstoff in industriellem Maßstab mithilfe von Enzymen zu erzeugen, müssen wir deren Funktionsweise genau verstehen“, sagt Prof. Dr. Thomas Happe, einer der Autoren der Studie.

Das Team um Happe und Dr. Martin Winkler von der Bochumer Arbeitsgruppe für Photobiotechnologie berichtet über die Ergebnisse mit Berliner Kollegen um Dr. Sven Stripp in der Zeitschrift Nature Communications.


Aufgeklärter Reaktionsmechanismus (siehe Haupttext für ausführliche Bildunterschrift)

© Martin Winkler


Martin Winkler (rechts) und Thomas Happe (links) haben einen flüchtigen Zwischenzustand eines Enzyms dingfest gemacht.

© RUB, Marquard

Enzym arbeitet in zwei Richtungen

Hydrogenasen können in zwei Richtungen arbeiten: Sie setzen Protonen und Elektronen zu Wasserstoff um oder spalten Wasserstoff in Protonen und Elektronen. Diese Reaktionen finden an dem aktiven Zentrum der Hydrogenase statt, das eine komplexe Struktur aus sechs Eisen- und sechs Schwefelatomen ist, genannt H-Cluster. Während des Katalyseprozesses durchläuft dieser Cluster mehrere Zwischenzustände.

Bei der Spaltung von molekularem Wasserstoff (H2) bindet das Wasserstoffmolekül zunächst an den H-Cluster. „Hydrogenase-Forscher waren von jeher davon überzeugt, dass im ersten Reaktionsschritt eine ungleichmäßige Spaltung von H2 erfolgen müsse“, erklärt Martin Winkler.

Die Idee: Es entsteht ein positiv geladenes Proton (H+) und ein negativ geladenes Hydrid-Ion (H-), die dann schnell zu zwei Protonen und zwei Elektronen weiterreagieren. „Der Hydrid-Zustand des aktiven Enzyms, in dem also das Hydrid-Ion an das aktive Zentrum gebunden ist, gilt als hochgradig instabil – nachweisen konnte ihn bislang niemand“, so Winkler. Genau das gelang den Forschern nun.

Trick macht instabilen Zustand sichtbar

Mit einem Trick reicherten sie den H-Cluster-Zustand mit dem Hydrid-Ion an, sodass er sich spektroskopisch nachweisen ließ. Während der Wasserstoffspaltung stellt sich ein chemisches Gleichgewicht zwischen den beteiligten Reaktionspartnern – Protonen, Hydrid-Ionen und Wasserstoffmoleküle – ein.

Im Gleichgewicht liegen stabile Konzentrationen der drei Wasserstoffzustände vor. Indem die Forscher von außen große Mengen an Protonen und Wasserstoff zu dem Gemisch hinzugaben, verschoben sie das Gleichgewicht – zugunsten der Hydrid-Produktion. Das aktive Zentrum mit dem negativ geladenen Hydrid-Ion reicherte sich nun in größerer Menge an; genug, um messbar zu sein.

Den Hydrid-Zwischenzustand, der auch bei der Wasserstoffproduktion entsteht, wies das Team auch noch in weiteren Versuchen mit gezielt veränderten Hydrogenasen nach.

„So konnten wir das Katalyseprinzip dieser Hydrogenasen erstmals experimentell belegen“, resümiert Thomas Happe. „Das liefert eine entscheidende Grundlage, um den hochgradig effektiven Umsatzmechanismus des H-Clusters für die industrielle Erzeugung von Wasserstoff zu reproduzieren.“ Die Enzyme können bis zu 10.000 Wasserstoffmoleküle pro Sekunde umsetzen.

Förderung

Die Forscher erhielten finanzielle Unterstützung von der Volkswagen-Stiftung (LigH2t) und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069).

Originalveröffentlichung

Martin Winkler, Moritz Senger, Jifu Duan, Julian Esselborn, Florian Wittkamp, Eckhard Hofmann, Ulf-Peter Apfel, Sven Timo Stripp, Thomas Happe: Accumulating the hydride state in the catalytic cycle of [FeFe]-Hydrogenases, Nature Communications, 2017, DOI: 10.1038/NCOMMS16115

Pressekontakt

Prof. Dr. Thomas Happe
Arbeitsgruppe Photobiotechnologie
Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 27026
E-Mail: thomas.happe@rub.de


Erklärung zu der beigefügten Grafik des Reaktionsmechanismus:

A: Am H-Cluster können Elektronen (e-) und Protonen (H+) zu molekularem Wasserstoff (H2) umgesetzt werden oder Wasserstoff in Elektronen und Protonen gespalten werden. B: Forscher gehen davon aus, dass die Hydrogenase vier Zustände in einem Reaktionszyklus durchläuft (durch die Ziffern 1 bis 4 gekennzeichnet). Zustand 2 ist der wichtigste Zwischenzustand: Wasserstoff (H2) wird ungleichmäßig in H+ und H- gespalten. Das Hydrid-Ion (H-) ist an das Enzym gebunden. Da Zustand 2 sehr instabil ist, reagiert er umgehend weiter zu 3 und 4 und konnte im Gegensatz zu den Zuständen 1, 3 und 4 bisher noch nicht nachgewiesen werden. C: Um Zustand 2 nachzuweisen, wurde das chemische Gleichgewicht zugunsten dieses Zustands verschoben, indem die Konzentrationen des Wasserstoffs und der Protonen erhöht wurden (rote Pfeile).

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

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: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics