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Wasserstoff auf natürlichem Wege produzieren Forscher der RUB und vom MPI Mülheim
a.d.R. berichten in "Angewandte Chemie"
Bochum (rub) - 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.
Titelaufnahme
A. Adamska, A. Silakov, C. Lambertz, O. Rüdiger, T. Happe, E. Reijerse, W. Lubitz (2012): Identifizierung
und Charakterisierung des "super-reduzierten" Zustands des H-Clusters von [FeFe]-Hydrogenasen: ein neuer
Baustein im katalytischen Zyklus? Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.201204800
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