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Erneuerbarer Wasserstoff als Kraftstoff gilt seit vielen Jahren als vielversprechend und verspricht den ultimativen sauberen Energieträger. Durch die Nutzung von Elektrizität zur Spaltung von Wasserstoff aus Wasser könnte die durch erneuerbare Energien wie Sonne und Wind intermittierend erzeugte Energie eingefangen, gespeichert und einfach transportiert werden. Damit würde die Abhängigkeit der Welt von Kohle, Öl und Gas verringert und gleichzeitig die globale Erwärmung bekämpft werden.
Wie können wir Wasserstoff in großem Maßstab so erzeugen, dass er sowohl umweltfreundlich als auch wirtschaftlich rentabel ist? Die Beantwortung dieser Frage ist entscheidend, um das EU-Ziel, eine nachhaltige und klimaneutrale Wirtschaft zu schaffen, zu erreichen.
An der Universität Uppsala in Schweden arbeitet CaBiS-Projektkoordinator Gustav Berggren an einer innovativen Lösung: Er ersetzt die seltenen Metalle wie Platin und Iridium, die für die in der Elektrolyse verwendeten Katalysatoren benötigt werden, durch eine alternative Methode, die natürliche biologische Prozesse mit synthetischer Chemie verbindet.
Im Fokus des Ansatzes stehen halbsynthetische Metalloenzyme, die den Vorgang nachahmen, durch den Wasserstoff in lebenden Zellen erzeugt wird. Dieser Forschungsbereich rückte kürzlich durch die Verleihung des Nobelpreises für Chemie 2018 an Frances Arnold für ihre Arbeit zur Entwicklung von Enzymen durch gezielte Evolution in den Mittelpunkt.
„Wir setzen Instrumente der synthetischen Chemie ein, um die Herstellung des Enzyms zu vereinfachen, aber auch um modifizierte Versionen dieses Enzyms zu erzeugen, die wir ‚organometallische Mutanten‘ nennen“, kommentiert Berggren. Diese Methode hebt sich von anderen Versuchen ab, bei denen Wasserstoff verarbeitende Enzyme oft von Grund auf neu geschaffen werden müssen.
Berggrens Team konnte funktionsfähige künstliche Metalloenzyme in das Zytoplasma von Bakterien integrieren – ein seltenes Beispiel für künstliche Enzyme, die in lebenden Zellen funktionieren. Dank dieser Fortschritte wurden das Forschungstempo beschleunigt und neue Wege für die Erforschung photobiologischer Wasserstofferzeugungssysteme eröffnet. Berggren merkt an: „Wir können dies im Vergleich zu den klassischen biologischen Methoden in einem wesentlich schnelleren Tempo tun“. Diese Fähigkeit hat nicht nur ihr Verständnis des Wasserstoffmetabolismus verbessert, sondern auch zur Entdeckung neuer Hydrogenasen in verschiedenen Organismen beigetragen.
Bahnbrechende Anwendungen und künftige Forschungsmöglichkeiten
Die Ergebnisse ebnen den Weg für die photobiologische Wasserstofferzeugung, d. h. den Einsatz photosynthetischer Bakterien zur Optimierung der Wasserstofferzeugung aus Sonnenlicht. „Wir nutzen dieses leistungsstarke Instrument, um die Effizienz der Wasserstofferzeugung in Zellen, die Hydrogenasen enthalten, zu optimieren, wobei der Schwerpunkt auf der Optimierung des Enzymkatalysators selbst sowie seiner Integration in den zellulären Elektronenfluss liegt“, sagt Berggren.
Die Tragweite der Arbeit geht jedoch über erneuerbare Kraftstoffe hinaus. Die Durchbrüche des Teams in der Hydrogenase-Technologie bieten potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Medizin.
Die in CaBiS erarbeiteten Methoden werden nun zur Untersuchung des Wasserstoffmetabolismus im menschlichen Darm eingesetzt. Berggren weist auf die mögliche Tragweite hin: „Ein besseres Verständnis des Gasstoffwechsels wird in diesem Zusammenhang voraussichtlich erhebliche Auswirkungen auf die Biowissenschaften haben und möglicherweise die Entwicklung neuer Arzneimittel und medizinischer Behandlungen fördern.“
Trotz dieser vielversprechenden Entwicklungen räumt Berggren ein, dass die Umsetzung dieser Durchbrüche in praktischen Anwendungen weiterer Forschung und Optimierung bedarf. „Damit sich diese Technologien durchsetzen können, müssen wir auch die Gestaltung der Bioreaktoren optimieren, um eine hohe Sicherheit und einen effizienten Lichteinfang sowie eine effiziente nachgeschaltete Ernte und Verarbeitung des erzeugten Wasserstoffgases zu gewährleisten“, fügt er hinzu.
Das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt CaBiS stellt zweifellos einen bedeutenden Fortschritt auf der Suche nach einer nachhaltigen Wasserstofferzeugung dar. Durch die Kombination modernster synthetischer Chemie mit natürlich vorkommenden biologischen Systemen haben Berggren und sein Team eine leistungsfähige Plattform für künftige Innovationen geschaffen, die sie bis heute weiter optimieren.