Enzyme speichern Wasserstoff

CO₂-Highspeed-Speicher in Bakterien entdeckt

Die sich stetig verschärfende Klimakrise durch die CO₂-Anreicherung der Atmosphäre macht die Suche nach Möglichkeiten zur CO₂-Speicherung äusserst wichtig. Das Team von Prof. Ben Engel am Biozentrum der Universität Basel hat nun die Struktur eines Enzyms entschlüsselt, das einen solch neuen Weg zur CO₂-Speicherung aufzeigt (siehe: nature.com/as41586-022-04971-z) – parallel zu Kollegen der Universitäten Frankfurt und Marburg, die haben ein Tiefseebakterium namens Acetobacterium woodii genutzt um CO₂ in Ameisensäure und weiter umzusetzen. und in Joule publiziert.

Filamente des bakteriellen Enzyms HDCR – Bild © Verena Resch, luminous-lab.com

Das außergewöhnliche Enzym HDCR stellt aus gasförmigem Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO₂) Ameisensäure her, entzieht damit der Umwelt CO₂ und speichert es in der Zelle. Dabei überträgt HDCR Elektronen vom Wasserstoff auf das CO₂. Es ist damit das erste bekannte Enzym, das Wasserstoff direkt als Elektronenquelle zur CO₂-Speicherung nutzen kann. Das Enzym HDCR wurde im wärmeliebenden Bakterium Thermoanaerobacter kivui entdeckt, das ursprünglich 1981 im Kivusee in Zentralafrika gefunden wurde. Es lebt in sauerstoffarmen Umgebungen wie der Tiefsee. Den Forschungsteams der Universitäten Basel, Frankfurt (Prof. Volker Müller) und Marburg (Prof. Jan Schuller) ist es nun gelungen, die Struktur von HDCR aufzuklären. Die Resultate wurden nun in Nature veröffentlicht.

Katalysator in Highspeed

HDCR setzt sich aus langen Filamenten zusammen. Diese fadenförmige Struktur wirkt wie ein elektronenleitender „Nanodraht“ und ist offenbar für die äusserst effizienten Umwandlungsraten der beiden Gase verantwortlich. „Diese Struktur des Enzyms macht die Highspeed- CO₂-Bindung möglich“, erklärt Dr. Ricardo Righetto, einer der Erstautoren der Studie am Biozentrum der Universität Basel. Die Forschenden fanden heraus, dass in diesem Enzym die chemische Reaktion effizienter durchgeführt wird, als in allen bisher bekannten chemischen Katalysatoren.

Die Forschenden wendeten komplementäre elektronenmikroskopische Ansätze an, um genauer zu verstehen, wie HDCR funktioniert. Mit der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) untersuchten sie die gereinigten Filamente, konnten so die atomaren Strukturen des Enzyms bestimmen und die Filamente sichtbar machen. Diese zeigten, dass der „Nanodraht“ Tausende Elektronen-leitenden Eisen- und Schwefelatomen enthält, die eine effiziente Übertragung von Elektronen von Wasserstoff zu CO₂ ermöglichen. Die Wissenschaftler glauben, dass der „Nanodraht“ die Elektronen aus Wasserstoff auch speichern kann, auch wenn nur eine Wasserstoffblase an den Bakterien vorbeizieht.

Anschliessend führten sie eine Tomographie an gefrorenen Zellschnitten durch, um HDCR in den T. Kivui-Zellen sichtbar zu machen. Diese innovative Technik zeigte, dass die Filamente wie Metallkabel mehrfach um sich selbst ineinander gedreht sind“, so Righetto. „Diese Superstrukturen sehen aus wie kreisförmige Portale auf der Membran. Diese Anordnung könnte wichtig sein, um die Effizienz des Enzyms zu erhöhen, damit die Bakterien unter solch extremen Bedingungen Energie gewinnen.“

Neue Möglichkeit zur CO₂-Speicherung

Die sich stetig verschärfende Klimakrise durch die zunehmende Ansammlung von CO₂ in der Atmosphäre macht die Entwicklung neuer Ideen zur Absonderung und Speicherung von CO₂unumgänglich. „Die in HDCR gefundenen Strukturen zeigen uns neue Weg auf, um CO₂ effizient zu speichern und Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen“, sagt Prof. Ben Engel, Forschungsgruppenleiter am Biozentrum, Universität Basel. Insbesondere für biotechnologische Ansätze könnten sich das als äusserst wertvoll erweisen. „Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse die Bedeutung wissenschaftlicher Grundlagenforschung, die die Biologie verschiedener Organismen erforscht. Denn die Natur steckt voller erstaunlicher Überraschungen!“

Frankfurter Forscher entwickelten neue Biobatterie zur Speicherung von Wasserstoff

Mit Hilfe des Bakteriums Acetobacterium woodii Wasserstoff kontrolliert zu speichern und wieder abzugeben, ist die Enwicklung der Frankfurter Kollegen, ein wichtiger Schritt auf der Suche nach CO₂-neutralen Energieträgern im Interesse des Klimaschutzes. Das entsprechende Paper ist in Joule erschienen. Die acetogenen Bakterien, die zum Beispiel in der Tiefsee vorkommen, ernähren sich von Kohlendioxid, das sie mithilfe von Wasserstoff zu Ameisensäure verstoffwechseln. Normalerweise ist diese Ameisensäure aber nur ein Zwischenprodukt ihres Stoffwechsels, das weiter zu Essig und Ethanol verdaut wird. Doch das Team um den Leiter der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik Prof. Volker Müller hat die Bakterien so angepasst, dass dieser Prozess nicht nur auf der Stufe der Ameisensäure gestoppt, sondern auch rückabgewickelt werden kann. Das Grundprinzip ist bereits seit 2013 patentiert.

Modell einer möglichen bakteriellen Wasserstoffspeicherung: Während des Tages wird mit Hilfe einer Solaranlage Strom erzeugt, der dann die Hydrolyse von Wasser antreibt. Der dadurch erzeugte Wasserstoff wird durch die Bakterien an CO₂ gebunden und dadurch Ameisensäure gebildet. Diese Reaktion ist frei reversibel, und die Richtung der Reaktion wird nur durch die Konzentration der Ausgangsstoffe und Endprodukte gesteuert. Während der Nacht sinkt die Wasserstoffkonzentration im Bioreaktor und die Bakterien beginnen, den Wasserstoff aus Ameisensäure wieder freizusetzen. Der freigesetzte Wasserstoff kann dann als Energiequelle genutzt werden.

„Die gemessenen Raten der CO₂-Reduktion zu Ameisensäure und zurück sind die höchsten je gemessenen und sie sind um ein Vielfaches größer als bei anderen biologischen oder chemischen Katalysatoren; die Bakterien benötigen für die Reaktion auch nicht wie die chemischen Katalysatoren seltene Metalle und keine extremen Bedingungen wie hohe Temperaturen und hohe Drücke, sondern erledigen den Job bei 30 °C und Normaldruck“, berichtet Müller. Nun vermeldet die Gruppe einen neuen Erfolg, die Entwicklung einer Biobatterie zur Wasserstoffspeicherung mit Hilfe der genannten Bakterien.

Für eine kommunale oder häusliche Wasserstoffspeicherung ist ein System sinnvoll, bei dem die Bakterien in ein und demselben Bioreaktor zunächst Wasserstoff speichern und dann wieder freisetzen, möglichst stabil über einen langen Zeitraum. Fabian Schwarz, der im Labor von Prof. Müller seine Doktorarbeit zu diesem Thema geschrieben hat, ist die Entwicklung eines solchen Bioreaktors gelungen. Er hat die Bakterien acht Stunden mit Wasserstoff gefüttert und sie dann während einer 16-stündigen Nachtphase auf eine Wasserstoff-Diät gesetzt. Die Bakterien haben den Wasserstoff daraufhin vollständig wieder freigesetzt. Die ungewollte Bildung von Essigsäure konnte durch gentechnische Verfahren eliminiert werden. „Das System lief für mindestens zwei Wochen ausgesprochen stabil“ erklärt Fabian Schwarz, der sich freut, dass diese Arbeiten zur Veröffentlichung in „Joule“, einem angesehenen Journal für chemische und physikalische Verfahrenstechnik, angenommen wurde. „Dass Biologen in diesem hochkarätigen Journal publizieren, ist eher ungewöhnlich“, freut sich Schwarz.

Volker Müller hat sich schon in seiner Doktorarbeit mit den Eigenschaften dieser speziellen Bakterien befasst – und jahrelang Grundlagenforschung dazu betrieben. „Ich habe mich dafür interessiert, wie diese ersten Organismen ihre Lebensvorgänge organisiert haben und wie sie es schaffen, unter Luftabschluss mit einfachen Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid zu wachsen“, erklärt er. Durch den Klimawandel gewann seine Forschung eine neue, anwendungsorientierte Dimension. Die Biologie biete – für viele Ingenieure überraschend – durchaus praktikable Lösungen an.

->Quellen:

Publikationen:

Fabian M. Schwarz,Florian Oswald, Jimyung Moon, Volker Müller: Biological hydrogen storage and release through multiple cycles of bi-directional hydrogenation of CO2 to formic acid in a single process unit. Joule (2022) https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.020 – open access
Helge M. Dietrich, Ricardo D. Righetto, Anuj Kumar, Wojciech Wietrzynski, Raphael Trischler, Sandra K. Schuller, Jonathan Wagner, Fabian M. Schwarz, Benjamin D. Engel, Volker Mu?ller & Jan M. Schuller. Membrane-anchored HDCR nanowires drive hydrogen-powered CO2 fixation. Nature (2022)