Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wasserstoff produzierendes Enzym mit künstlichem aktivem Zentrum bestückt

27.06.2013
Biologie und Chemie im Konzert
Forscherteam aus Grenoble, Mülheim und Bochum berichtet in „Nature“

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft und lässt sich effizient mit speziellen Enzymen, den Hydrogenasen produzieren. Diese Enzyme herzustellen, ist jedoch schwierig.


Aktives Zentrum
Grafik: MPI CEC


So entsteht die Hydrogenase: Das chemisch synthetisierte aktive Zentrum lud das Forscherteam zunächst auf ein Reifungsprotein. Von dort wurde das aktive Zentrum auf eine Vorstufe der Hydrogenase übertragen. Dieses Enzym setzt Protonen und Elektronen zu Wasserstoff um. Grafik: Julian Esselborn

„In einer außergewöhnlichen Zusammenarbeit von Biologen und Chemikern ist es uns jetzt zum ersten Mal gelungen, eine halbsynthetische Hydrogenase mit voller Aktivität herzustellen“, sagt Prof. Dr. Thomas Happe von der AG Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum. Die Ergebnisse veröffentlichte ein Team um Prof. Marc Fontecave vom Collège de France in Grenoble, Prof. Wolfgang Lubitz vom MPI Mülheim sowie Prof. Thomas Happe in der Fachzeitschrift „Nature“.

Kompliziertes Reaktionszentrum macht Synthese im Labor schwierig

„Unser Traum ist es, Wasserstoff – zum Beispiel für Brennstoffzellen – nur mit biologischen Mitteln und Sonnenenergie herzustellen“, sagt Thomas Happe. [FeFe]-Hydrogenasen aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii katalysieren die Synthese von Wasserstoff (H2) hocheffizient und kommen dabei, im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren, ohne teure Edelmetalle wie Platin aus. Die Hydrogenasen aus Grünalgen zu gewinnen oder künstlich im Labor herzustellen, ist jedoch zeit- und kostenintensiv.
„Das Reaktionszentrum der [FeFe]-Hydrogenasen ist sehr kompliziert aufgebaut“, erklärt Happe. Die Wasserstoffproduktion findet an einem Cluster aus zwei Eisen- und zwei Schwefel-Atomen statt. Daran gebunden sind Kohlenstoffmonoxid (CO) und Cyanid (CN-) sowie ein Molekül, das eine Brücke zwischen den beiden Eisen-Atomen bildet. In der Natur wird das Zentrum durch mehrere spezielle Reifungsproteine synthetisiert; dieser Prozess ist bislang unvollständig erforscht. „Versuche von Chemikern, das Zentrum chemisch zu imitieren, führten bisher nicht zur gewünschten katalytischen Leistung“, so der Bochumer Biologe.

Halbsynthetisches Enzym produziert Wasserstoff mit voller Aktivität

Das Forscherteam in Grenoble stellte chemisch drei verschiedene Varianten von Eisen-Clustern her, die sich im „Brückenmolekül“ unterschieden. Die Cluster luden sie auf ein Reifungsprotein, das in der Grünalge normalerweise an der Synthese der [FeFe]-Hydrogenase beteiligt ist. Die RUB-Biologen brachten dieses beladene Reifungsprotein mit einer Vorstufe der Chlamydomonas-Hydrogenase zusammen, der das katalytisch aktive Eisen-Cluster fehlte.

Mit hoch empfindlichen spektroskopischen Messungen verfolgten die Forscher in Mülheim diesen Prozess. So wiesen sie nach, dass alle drei künstlich hergestellten Cluster auf die Enzym-Vorstufe übertragen werden können. Messungen am MPI Mülheim und an der RUB bestätigten, dass nur eines der künstlichen Cluster zu einem voll funktionsfähigen Enzym führte, welches effizient Wasserstoff erzeugt. In der spektroskopischen Analyse war diese halbsynthetische Hydrogenase von dem natürlich vorkommenden Protein nicht zu unterscheiden. „Nebenbei haben wir auch noch einen wissenschaftlichen Disput über die genaue Struktur des ‚Brückenmoleküls‘ am Eisen-Cluster beigelegt“, sagt Agnieszka Adamska, Wissenschaftlerin am MPI für Chemische Energiekonversion in Mülheim. „Die Struktur, die vor einigen Jahren in unserem Labor vorgeschlagen wurde, ist jetzt bestätigt“.

Forschung für die Zukunft: Enzym und aktives Zentrum verändern

Die Forscher haben bereits verschiedene Modifikationen an dem Enzym vorgenommen und zum Beispiel untersucht, welche Effekte sie auf die katalytische Aktivität haben. In Zukunft wollen sie auch das anorganische aktive Zentrum verändern und die Auswirkungen beobachten. „Das ist eine einmalige Chance, die Wasserstoffproduktion zu erforschen und ihre Effizienz zu steigern“, resümiert Prof. Happe.

Förderung

Die Volkswagen Stiftung fördert Thomas Happe unter dem Titel „LigH2t“.

Titelaufnahme

G. Berggren, A. Adamska, C. Lambertz, T. Simmons, J. Esselborn, M. Atta, S. Gambarelli, J.M. Mouesca, E. Reijerse, W. Lubitz, T. Happe, V. Artero, M. Fontecave (2013): Biomimetic assembly and activation of [FeFe]-hydrogenases, Nature, DOI: 10.1038/nature12239

Weitere Informationen

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

Angeklickt

Frühere Presseinformation zur [FeFe]-Hydrogenase
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2012/pm00365.html.de

Frühere Presseinformation zur lichtgetriebenen Wasserstoffherstellung
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2012/pm00031.html.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscherteam der Universität Bremen untersucht Korallenbleiche
24.04.2017 | Universität Bremen

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

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: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung