Eine Zwischenablage für Elektronen

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben mit spektroskopischen Untersuchungen an einem wasserstoffproduzierenden Enzym herausgefunden, dass die Umgebung des katalytischen Zentrums im Enzym als Elektronenspeicher fungiert.

Somit kann es sehr effizient Wasserstoff produzieren, welcher großes Potenzial als regenerativer Energieträger hat. Die Ergebnisse beschreibt das Forscherteam in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Wasserstoff mit Enzymen herstellen

Bei dem untersuchten System handelt es sich um ein Enzym, das die Bildung und Umsetzung von Wasserstoff katalysiert. Es besitzt im Zentrum einen Doppeleisenkern, daher wird es auch [FeFe]-Hydrogenase genannt. Hydrogenasen sind von großem Interesse für die Energieforschung, da sie effizient Wasserstoff produzieren können. Doch nur mit einem tiefgehenden Verständnis ihrer Wirkweise kann man neue Katalysatoren entwickeln.

Elektronentransfer in mehreren Schritten

Bei der Wasserstoffproduktion tun sich zwei Elektronen mit zwei Protonen zusammen. Das Forscherteam zeigte, dass das erste Elektron zunächst wie erwartet auf das Eisenzentrum des Enzyms übertragen wird. Der zweite Transfer hingegen erfolgt auf einen Eisen-Schwefel-Cluster, der sich in der Peripherie befindet. Er bildet somit eine Zwischenablage für das zweite Elektron. Dieser „super-reduzierte“ Zustand ist möglicherweise für die extrem hohe Effizienz der Hydrogenase verantwortlich. Anschließend werden dann beide Elektronen in einem Schritt von dem Enzym auf die Protonen übertragen, so dass Wasserstoff entsteht. „Erst der Einsatz von zwei unterschiedlichen spektroskopischen Verfahren hat die Entdeckung möglich gemacht“, sagt Agnieszka Adamska, Doktorandin am MPI CEC, die die spektroskopischen Untersuchungen durchführte.

10.000 Moleküle Wasserstoff pro Sekunde

„Bis zu 10.000 Moleküle Wasserstoff kann ein einzelnes [FeFe]-Zentrum pro Sekunde generieren“, sagt Camilla Lambertz, Postdoktorandin an der RUB, die die biologischen Proben für das Projekt vorbereitete. Das Enzym gehört somit zu den effizientesten Hydrogenasen und wird daher von Biologen und Chemikern auch im Hinblick auf eine umweltfreundliche Wasserstoffproduktion intensiv untersucht. Der vollständige Mechanismus der Wasserstoffbildung ist allerdings komplex, und einige Schritte müssen noch geklärt werden. Als nächstes wollen die Wissenschaftler am MPI CEC und der Ruhr-Universität Bochum mit empfindlichen spektroskopischen Methoden das Proton lokalisieren, auf welches die beiden Elektronen übertragen werden. Dieses negativ geladene Wasserstoffatom (Hydrid) reagiert mit einem weiteren Proton, um Wasserstoff zu bilden. Inspiriert von der [FeFe]-Hydrogenase würden die Forscher gerne eigene wasserstoffproduzierende Katalysatoren entwickeln, welche für die Generierung von Wasserstoff eingesetzt werden könnten.

DOI: 10.1002/ange.201204800
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201204800/abstract
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Das Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion (MPI CEC) in Mülheim a.d.R. beschäftigt sich mit grundlegenden chemischen Prozessen, die bei der Speicherung und Umwandlung von Energie eine Rolle spielen. Das Ziel besteht darin, Sonnenlicht in kleinen, energiereichen Molekülen zu speichern und Energie so orts- und zeitunabhängig nutzbar zu machen. In den drei Abteilungen Heterogene Reaktionen, Molekulare Theorie und Spektroskopie und Biophysikalische Chemie arbeiten ca. 75 Forscher aus über 20 Ländern, und tragen mit ihrem Expertenwissen zur Vorbereitung einer nachhaltigen Energiewende bei.