Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Moleküle nach dem Vorbild der Natur bauen

16.03.2011
Forscher aus Magdeburg, Mülheim und Uppsala haben Vorgänge in Enzymen untersucht, um die biologische Wasserstoffproduktion im Detail besser zu verstehen

Wasserstoff ist ein Energieträger der Zukunft und wird bereits als alternative Energiequelle, z.B. beim Betrieb von Kraftfahrzeugen, getestet. Manche Mikroorganismen, also Bakterien und Algen, können Wasserstoff bei Raumtemperatur erzeugen. Forscher verstehen immer besser, wie Bakterien Wasserstoff erzeugen und welche Rolle die Enzyme dabei spielen.

Wissenschaftler möchten die zugrunde liegen Prozesse nachvollziehen, um künftig mit künstlichen Systemen Wasserstoff produzieren zu können. In einem Kooperationsprojekt haben sich Forscher aus Magdeburg, Mühlheim und Uppsala der bakteriellen Wasserstofferzeugung gewidmet. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

Das Enzym, das den Wasserstoff herstellt, heißt Hydrogenase. Forscher wollen die Vorgänge in diesem Enzym verstehen und weitere Anhaltspunkte finden, auf welche Weise die Natur Wasserstoff produziert. Die Eisenatome in der Hydrogenase ermöglichen die biochemischen Vorgänge. Obwohl es schon eine Struktur und zahlreiche spektroskopische Untersuchungen von diesem Enzym gibt, konnte immer noch nicht exakt geklärt werden, wie das aktive Zentrum des Enzyms genau aussieht. Erst wenn die Chemiker die Elektronenstruktur in den Metallzentren kennen, ist es ihnen auch möglich, die Enzyme gezielt zu verändern oder nachzubauen.

Schwedisches Design für Moleküle

Chemiker von der Universität Uppsala in Schweden haben jetzt ein Molekül im Labor hergestellt, das dem Vorbild des Enzyms genau nachempfunden ist. Diese Nachbauten der Natur sollen zukünftig als künstliche Systeme zur biotechnologischen Wasserstoffproduktion dienen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für bioanorganische Chemie in Mülheim haben am schwedischen Molekül aufwändige Messungen mit Elektronenspinresonanz (EPR) vorgenommen, um es genau zu untersuchen.

Von der Natur lernen

Die Analyse und Interpretation der Messergebnisse wurde erst möglich durch Computerberechnungen vom Max-Planck-Institut in Magdeburg. Dr. Matthias Stein modellierte die zu erwartenden Ergebnisse am Rechner. Werte, die bei den spektroskopischen Aufnahmen am ursprünglichen Enzym ermittelt wurden, wurden mit den berechneten Werten des Modells verglichen. Mit Hilfe der rechnerischen Simulation konnte erstmals die elektronische Struktur eines solchen [FeFe]-Modellkomplexes detailliert analysiert werden. Durch das Design der schwedischen Modellverbindung in Anlehnung an das Bakterium konnte erstmals eindeutig gezeigt werden, dass im Bakterium ein Stickstoffatom im aktiven Zentrum vorliegt. Dies hat wahrscheinlich eine große Bedeutung als Zwischenstufe im enzymatischen Mechanismus der Wasserstofferzeugung.

Aufs Detail schauen und das große Ganze im Blick

Matthias Stein, 39, forscht am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg und baut dort eine Nachwuchsgruppe auf. Er simuliert Wechselwirkungen in oder zwischen Molekülen auf verschiedenen Zeitskalen. Matthias Stein sieht seine Arbeit an der Schnittstelle zwischen Biologie, Chemie, Physik und mathematischen Modellierungen. Er möchte zelluläre Vorgänge und Veränderungen wie durch eine Lupe betrachten und auf atomarer Ebene verstehen.

Matthias Stein fasziniert es, “Experimente auf dem PC durchzuführen und verschiedene Modelle rechnerisch durchzuspielen.” Zu den Methoden, die er und seine Kollegen dabei einsetzen, zählen die Quantenmechanik, die molekulare und Brown‘sche Dynamik sowie die Bioinformatik und die Modellierung von Proteinstrukturen. Damit bringt er Werkzeuge in die Forschungsarbeit des Max-Planck-Institutes ein, die so vorher in Magdeburg nicht angewendet wurden. Am Rechner können somit nun Szenarien und Moleküle simuliert werden, die nicht oder nur schwer experimentell zugänglich sind. Um es den Wissenschaftlern zu ermöglichen, ihre aufwändigen Berechnungen durchzuführen, wird derzeit am Max-Planck-Institut Magdeburg ein leistungsfähiger Rechnercluster mit einer großen Rechenkapazität installiert.

Die Gruppe kooperiert eng mit den experimentell arbeitenden Fachgruppen des Max-Planck-Institutes unter anderem auf dem Gebiet der chemischen Prozesstechnik und der Biotechnologie, denn “die theoretischen Berechnungen müssen auch im Experiment bestätigt werden&rdquo, so Matthias Stein. Zukünftige Anknüpfungspunkte in seiner Arbeit sieht Matthias Stein auch in den Forschungsgebieten der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Über Dr. rer. nat. Matthias Stein

Matthias Stein wurde 1971 in Berlin geboren. Von 1990 bis 1995 studierte er Chemie an der TU Berlin und der University of Manchester (UK). Dort erwarb er auch den Master of Science in Theoretischer Chemie. Er promovierte 2001 in Biophysikalischer Chemie unter anderem über den Reaktionsmechanismus der Hydrogenase. Es folgte ein Gastaufenthalt an der Königlich Technischen Hochschule Stockholm, Schweden, von 2003 bis 2005. In einem Biotechunternehmen arbeitete er zunächst als Gruppenleiter, dann als Gründer und Geschäftsführer in der computergestützten Entwicklung von Pharmazeutika. Von 2005 bis 2010 war er an dem von der Klaus Tschira Stiftung geförderten Forschungsinstitut EML Research gGmbH, jetzt Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS).

Seit Juli 2010 leitet Matthias Stein die Nachwuchsgruppe Molecular Simulations and Design am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg. Matthias Stein hat mehrere wissenschaftliche Auszeichnungen erhalten und ist Mitglied in verschiedenen wissenschaftlichen Vereinigungen, u.a. in der Gesellschaft Deutscher Chemiker. Er ist verheiratet und hat drei Kinder.

Originalveröffentlichung

Özlen F. Erdem, Lennart Schwartz, Matthias Stein, Alexey Silakov, Sandeep Kaur-Ghumaan, Ping Huang, Sascha Ott, Edward J. Reijerse, Wolfgang Lubitz:
Ein Modell des aktiven Zentrums der [FeFe]-Hydrogenasen mit biologisch relevanter Azadithiolat-Brücke: eine spektroskopische und theoretische Untersuchung

Angewandte Chemie, 7. Februar 2011, (DOI: 10.1002/ange.201006244), 123, 1475-1479.

Ihr Kontakt zum Max-Planck-Institut Magdeburg
Dr. Matthias Stein, M.Sc.
Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme
Sandtorstraße 1
D-39106 Magdeburg
Tel: +49-391-6110-436
Fax: +49-391-6110-403
E-mail: matthias.stein@mpi-magdeburg.mpg.de
Gabriele Krätzer M.A.
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme
Sandtorstraße 1
D-39106 Magdeburg
Tel: +49-391-6110-144
Fax: +49-391-6110-518
E-mail: kraetzer@mpi-magdeburg.mpg.de

Gabriele Krätzer | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-magdeburg.mpg.de
http://www.de.mpi-magdeburg.mpg.de/Public_Relations/Pressemitteilungen/Pressemitteilung_Hydrogenase_MSD_160311.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise