Grünalgen geben Gas

Bonner Forscher entdecken Algen-Gen für Wasserstoffproduktion

Ob in Form von Brötchen, als Knusperflocken oder „Spaghetti al Pesto di Mare“: Die Nahrungsmittelindustrie ist auf dem „Algen-Trip“ und verkauft die Wasserpflanzen als leckere Energiespender an gesundheitsbewusste Verbraucher. Doch auch in anderer Hinsicht könnten Algen unsere Energie-Probleme lösen helfen: Einige von ihnen können Wasserstoff produzieren, mit dessen Hilfe in Zukunft Autos angetrieben oder Laptops mit Strom versorgt werden sollen. Wissenschaftler der Universität Bonn haben nun aus Grünalgen das Gen für die Wasserstoffproduktion isoliert – und einen Algenstamm gentechnisch so verändert, dass er mehr als doppelt so viel Wasserstoff erzeugen kann wie zuvor.

„Wasserstoff ist ein guter Energiespeicher“, erklärt Dr. Thomas Happe aus dem Botanischen Institut der Universität Bonn, „für die Algen bedeutet es daher einen Energieverlust, Wasserstoff an die Umwelt abzugeben.“ Verschiedene Grünalgen machen das denn auch nur, wenn man sie dazu zwingt: Die kalifornische Firma Melis Energy, mit der die Bonner Forscher kooperieren, hat sie zu diesem Zweck auf Schwefeldiät gesetzt – Schwefel ist Bestandteil vieler lebenswichtiger Zelleiweiße. Die Alge schaltet darauf ihren Stoffwechsel auf Sparflamme, ein Teil der Photosynthese läuft aber weiter auf Hochtouren und erzeugt große Mengen energiereicher Verbindungen, die die Zellen gar nicht verwerten können. Sie „entsorgen“ schließlich die überschüssige Energie in Form von Wasserstoff.

Das farblose, ungiftige Gas könnte bald ganz groß herauskommen: Experten sehen in ihm den Energieträger der Zukunft, der Autos und Busse antreiben oder Digitalkameras, Handys und Laptops über Stunden mit Strom versorgen soll. Möglich wird die Revolution durch die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle. In ihr reagiert Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser und erzeugt dabei Strom – etwa für den Antrieb von Elektromotoren. Vorteil: Wasser lässt sich unter Verbrauch von Energie wieder in Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Nutzt man die Kraft der Sonne, um diesen Kreislauf aufrechtzuerhalten, fallen theoretisch nicht einmal Schadstoffe an. Und im Gegensatz zu elektrischer Energie, wie sie Solarzellen erzeugen, lässt sich Wasserstoff ohne große Probleme speichern – nur so ist gewährleistet, dass die entsprechenden Geräte auch dann arbeiten, wenn mal nicht die Sonne scheint.

Seit sechzig Jahren weiß man, dass Grünalgen im Prinzip aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff produzieren können. Dabei hilft ihnen ein Zelleiweiß, das Enzym Hydrogenase; die nötige Energie liefert die Photosynthese. Happe und seinen Mitarbeitern ist es gelungen, das Gen mit dem Bauplan der Hydrogenase aus verschiedenen Grünalgen zu isolieren. Nun versuchen die Wissenschaftler, die räumliche Struktur des Enzyms zu entschlüsseln. So hoffen sie zu erkennen, wo genau sich die Reaktionspartner an das Eiweiß anlagern und wie es die Wasserstoffbildung katalysiert. Die Experimente dazu sind aufwändig – bislang arbeiten die Bonner Forscher daher mit Computerbildern, die der Realität schon ziemlich nahe kommen.

„Unsere Hydrogenase ist sehr einfach aufgebaut“, erklärt der Biochemiker, „und das macht es natürlich leichter, ihre Wirkungsweise zu verstehen.“ Daher ist ihr Fund auch weltweit auf großes Interesse gestoßen – zumal das Enzym in großen Mengen Wasserstoff produziert. In einem internationalem Projekt, das von dem japanischen Energieministerium gefördert wird, versuchen die Forscher nun, sowohl die Photosynthese-Systeme als auch die Hydrogenase aus Blau- und Grünalgen zu isolieren und an künstlichen Membranen zu befestigen. Bei Sonneneinstrahlung, so ihr Kalkül, könnte eine solche – vergleichsweise wartungsarme – „biochemische Batterie“ Wasserstoff herstellen.

Einfacher ist es, die Grünalgen direkt für die Energieproduktion einzuspannen – gewissermaßen als einzellige „Galeerensklaven“. Die Wasserstoff-Synthese ist für Grünalgen allerdings ein Schutzmechanismus, der nur in „Hungerzeiten“ zum Tragen kommt. Dementsprechend niedrig ist normalerweise die Hydrogenase-Konzentration in den Algen-Zellen – und je weniger Hydrogenase vorhanden ist, desto weniger Wasserstoff entsteht. Die Bonner Wissenschaftler haben dem Hydrogenase-Gen daher einen Turbo vorgeschaltet, der dafür sorgt, dass die Erbinformation häufiger abgelesen wird und die Alge entsprechend mehr Enzym produziert. Mit Erfolg: Die Alge mit dem Turbolader produziert die zwei- bis dreifache Menge des begehrten Gases wie ihre Verwandten aus der freien Wildbahn. „Wir müssen nun die Mutante genauer genetisch untersuchen“, erklärt Happe. „Wir betrachten diesen Erfolg aber als ersten Schritt zur großtechnischen Produktion von Wasserstoff.“

Ansprechpartner für die Medien: Dr. Thomas Happe, Arbeitsgruppe Molekulare Biochemie, Botanisches Institut und Botanischer Garten, Tel.: 0228/73-2075, Fax: 0228/73-1697, E-Mail: t.happe@uni-bonn.de