Wasserstoff aus Algen

Bochum (ND). Wasserstoff gilt als idealer Energieträger der Zukunft. In Kombination mit effizienten Brennstoffzellen liefert seine Verbrennung Elektrizität ohne schädliche Abgase. Für Umwelt und Klima wäre das sehr günstig, wenn der Wasserstoff mit Hilfe erneuerbarer Energiequellen entstünde. Derzeit allerdings wird Wasserstoff großtechnisch bislang fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern wie Erdöl oder Erdgas hergestellt. Eine elektrolytische Aufspaltung mit überschüssigem Wind- oder Solarstrom ist bislang sehr ineffizient. Interessanter wäre eine direkte Wasserspaltung durch das Licht bzw. die Wärme der Sonnenstrahlen. Einzelne Versuchsanlagen spalten Wasser bei 600 bis 800 Grad mit Hilfe von Metalloxid-Katalysatoren. Doch in der natürlichen Biochemie gibt es noch einen weiteren direkten Weg zum Wasserstoff. Bestimmte Proteine, sogenannte Hydrogenasen, wirken als Katalysatoren und können molekularen Wasserstoff herstellen. Ein Proteinmolekül kann bis zu 9000 Moleküle Wasserstoff pro Sekunde produzieren.

Diese Hydrogenasen kommen auch in Grünalgen vor, die mittels Energie aus Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff, Wasserstoffkerne (H+) und Elektronen (e-) spalten können. Die Hydrogenase erlaubt den Grünalgen, überschüssige Energie in Form von Elektronen auf Wasserstoffkerne zu übertragen, wobei Wasserstoff entsteht. Die einzelligen Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii geben bei Schwefelmangel große Mengen Wasserstoff an ihre Umgebung ab. Seit dieser Entdeckung im Jahr 2000 gilt die photobiologische Wasserstoffproduktion als vielversprechende Möglichkeit zur Herstellung von umweltfreundlichem Wasserstoff.

Einen Haken hat die Sache aber: Das Ganze funktioniert nur unter Ausschluss von Sauerstoff. Um das Enzym auch in der Gegenwart von Sauerstoff nutzbar zu machen, suchten Biologen der Bochumer Uni um Thomas Happe gemeinsam mit Kollegen aus Oxford und Berlin nach den Gründen für die verheerende Wirkung unseres Lebensspenders für den Algenbaustein. Wie die Forscher in den Fachblättern »Proceedings of the National Academy of Science« (Bd. 106, S. 17 331) und »Journal of the American Chemical Society« (Bd. 131, Nr. 41, S. 14 979) berichten, wird das Algenenzym von aggressiven Sauerstoffformen attackiert, die beim Andocken an jene Stelle des Enzyms entstehen, wo sonst der Wasserstoff gebunden wird. Dieser sogenannte H-Cluster besteht aus einem Kern mit vier Eisen- und vier Schwefelatomen (4Fe-4S-Kern), der über eine Schwefelverbindung an eine weitere Komponente mit zwei Eisen- und zwei Schwefelatomen (2Fe-2S-Cluster) gebunden ist. Dieses ist der Bindungsort für den Wasserstoff.

Mit Hilfe modernster biophysikalischer Methoden wie Proteinfilm-Elektrochemie und Röntgenabsorptionsspektroskopie fanden die Forscher heraus, dass das Sauerstoffmolekül genau wie das eigentliche Substrat, der Wasserstoff, an das 2Fe-2S-Cluster gebunden wird. Allerdings legt die Bindung des Sauerstoffmoleküls selbst das Enzym lahm. Vielmehr konnten die Forscher zeigen, dass das weiter entfernte 4Fe-4S-Cluster kurz nach der Bindung des Sauerstoffmoleküls nicht mehr nachweisbar ist, also zerstört wird. Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass durch eine Übertragung von Elektronen auf den gebundenen Sauerstoff aggressive »reaktive« Sauerstoffvarianten entstehen, die dann in einer zweiten Reaktion Teile des 4Fe-4S-Cluster attackieren, den man bis dato gar nicht mit der Sauerstoffempfindlichkeit der Hydrogenasen in Verbindung gebracht hatte.

Diese Entdeckung ebnet den Weg für eine gezielte Modifikation der Hydrogenase, die sie gegenüber Luftsauerstoff unempfindlicher machen soll. »Wir arbeiten an einem viel versprechenden Ansatz, der die Prinzipien der ›gerichteten Evolution‹ und des ›Rationalen Protein Designs‹ kombiniert«, so Happe. Die hierbei erzeugten Enzymvarianten werden auf erhöhte Sauerstofftoleranz getestet. Passend dafür wurde ein Robotersystem installiert, das unter Sauerstoffabschluss ein effizientes Screening der vielen Enzymvarianten ermöglicht. Zudem können mit dem Robotersystem Kristalle der Enzyme gezüchtet werden, die man für die Ermittlung der räumlichen Struktur benötigt. Diese Strukturuntersuchung erfolgt ebenfalls automatisiert.