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Forschungsprojekt Wie Grünalgen ohne Licht Wasserstoff herstellen

| Redakteur: Tobias Hüser

Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben einen bislang kaum untersuchten Mechanismus zur Produktion von Wasserstoff ausgedeckt: Sie haben den Stoffwechselweg entschlüsselt, durch den Grünalgen Wasserstoff ohne Licht produzieren.

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Die einzellige Grünalge Chlamydomonas kann nicht nur mittels Sonnenenergie Wasserstoff produzieren, sondern auch im Dunkeln. Die RUB-Forscher deckten die Kombination der verantwortlichen Proteine auf.
Die einzellige Grünalge Chlamydomonas kann nicht nur mittels Sonnenenergie Wasserstoff produzieren, sondern auch im Dunkeln. Die RUB-Forscher deckten die Kombination der verantwortlichen Proteine auf.
(Bild: AG Photobiotechnologie, RUB)

Bochum – Üblicherweise interessieren sich Forscher für die lichtgetriebene Wasserstoffsynthese. Die Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat jetzt aber einen anderen Weg eingeschlagen und die Wasserstoffproduktion im Dunkeln erforscht. „Will man Grünalgen zu einer höheren Wasserstoffbildung bringen, ist es wichtig, alle Produktionswege zu verstehen“, sagt Prof. Dr. Thomas Happe, Leiter der AG Photobiotechnologie.

Einzellige Grünalgen der Art Chlamydomonas sind mikroskopisch kleine Lebewesen. Zehn von ihnen passen nebeneinander auf ein menschliches Haar. In mancher Hinsicht sind die Mikroalgen höheren Pflanzen, etwa Bäumen, gar nicht so unähnlich, sie betreiben zum Beispiel auch Photosynthese. Anders als Landpflanzen können sie Lichtenergie aber auch in die Produktion von molekularem Wasserstoff stecken. „Chlamydomonas bilden Wasserstoff aber nur unter Stress“, erklärt Thomas Happe. „Die Abgabe des energiereichen Gases dient sozusagen als Überlaufventil, damit überschüssige Lichtenergie nicht den empfindlichen Photosyntheseapparat schädigt.“

Chlamydomonas kann aber auch im Dunkeln Wasserstoff herstellen. Diese Tatsache ist seit Jahrzehnten bekannt. Trotzdem ist die Synthese ohne Licht kaum untersucht, da dabei sehr viel weniger Gas entsteht als im Licht. Außerdem ist es kompliziert, das Schlüsselenzym, die sogenannte Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase, in größeren Mengen zu isolieren. Die RUB-Forscher nahmen das Projekt dennoch in Angriff.

Dunkle Wasserstoffproduktion im Reagenzglas nachgeahmt

Das Forscherteam stellte den Kern der Dunkelwasserstoffproduktion im Reagenzglas nach und belegte damit den zugrundliegenden Mechanismus. Um an die beteiligten Proteine zu gelangen, ließen die Forscher diese von Bakterien produzieren. Sie brachten zunächst die entsprechenden Gene der Grünalgen in das Darmbakterium Escherichia coli ein, zum Beispiel das Gen für die Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase. Nach dieser Bauanleitung stellte E. coli dann die Proteine her. Happes Team isolierte sie aus den Bakterienzellen und untersuchte sie wie ein Baukastensystem. Im Reagenzglas testeten die Biologen, wie verschiedene Kombinationen von Proteinen unter bestimmten Umweltbedingungen miteinander interagierten.

„Uraltes Enzym“ entdeckt

Dabei fanden sie heraus, dass die Algen bei Stress im Dunkeln auf einen Stoffwechselweg umschalten, der sich sonst nur in Bakterien oder einzelligen Parasiten findet. „Chlamydmonas besitzt ein evolutionär uraltes Enzym“, erklärt Jens Noth aus der AG Photobiotechnologie. „Mit Hilfe von Vitamin B1 und Eisenatomen gewinnt es Energie aus dem Abbau von Zuckern.“ Diese Energie nutzen dann andere Grünalgen-Enzyme, die Hydrogenasen, um Wasserstoff zu bilden.

Die Einzeller schalten den Stoffwechselweg ein, wenn sie im Dunkeln plötzlich in sauerstofffreie Bedingungen geraten. Denn wie Menschen brauchen die Grünalgen Sauerstoff zum Atmen, wenn sie ihre Energie nicht aus dem Sonnenlicht schöpfen können. Die Wasserstoffbildung im Dunkeln hilft den Zellen, diese Stressbedingung zu überleben. „Mit dieser Erkenntnis haben wir nun ein weiteres Puzzlestück gefunden, um ein genaues Bild der Wasserstoffproduktion in Chlamydomonas zu erhalten“, sagt Thomas Happe. „Das könnte in Zukunft helfen, auch die biotechnologisch relevante lichtabhängige Bildungsrate von Wasserstoff zu erhöhen.“

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