Hocheffizienter Energieproduzent

Hocheffizienter-Energieproduzent

Hocheffizienter Energieproduzent

Algen sind mehr als nur Sushi. Dies beweisen auch die Forschungsergebnisse der AG Photobiotechnologie der RUB. Als Wasserstoffproduzent sind Grünalgen von besonderem Interesse für das Team.

Algenwasserstoff

Forschungsfeld AG Photobiotechnologie

Der Mit-Initiator des Projekts SolarBioproducts Ruhr, Prof. Dr. Thomas Happe, forscht zusammen mit seinem 20-köpfigen Team an grundlegenden Fragestellungen zur Biochemie, Genetik und Biotechnologie photosynthetischer Mikroorganismen. Hierbei spielen Enzyme und das Zusammenwirken unterschiedlicher Stoffwechselwege von Mikroalgen eine große Rolle.

Enzyme sind Proteine, die eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel von Organismen spielen. Diese sogenannten Biokatalysatoren bewerkstelligen, kontrollieren und beschleunigen chemische Reaktionen, wie beispielsweise die Verdauung bei Mensch und Tier oder die Photosynthese bei Pflanzen. Auch verteidigen zahlreiche Enzyme als Teil des menschlichen Immunsystems den Organismus gegen verschiedene Krankheitserreger.

Die Biotechnologie macht sich den Vorteil der Enzyme für verschiedene Forschungsbereiche zu Nutze. Ein bekanntes Beispiel ist die Käseherstellung, bei der Labenzyme verwendet werden, um das Ausfällen des Milcheiweißes zu begünstigen. Aber auch beispielsweise in Waschmitteln leisten Enzyme großartige Arbeit. Biokatalysatoren wie die Amylase, Protease und Lipase sorgen dafür, dass die Wäsche schon bei niedrigen Temperaturen von Stärke, Eiweißen und Fetten befreit wird.

Für die AG Photobiotechnologie sind andere Enzyme von Interesse: Das Team fokussiert sich darauf,  hochwertige chemische Produkte herzustellen und Wasserstoff zu erzeugen. Vor allem das wasserstoffproduzierende Enzym Hydrogenase der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist für die Wissenschaftler ein hochinteressantes und zukunftsträchtiges Forschungsgebiet.

Vorteile von Wasserstoff und seiner Produktion durch Mikroalgen

Wasserstoff (chemisch: H2) hat den Vorteil, dass seine Nutzung keine Treibhausgase produziert. Verbrennt H2, entsteht nur Wasser. Wird Wasserstoff aus Algen hergestellt, ist das zudem auch gut fürs Klima. Bei gängigen Herstellungsverfahren, wie beispielsweise der Elektrolyse, werden meist fossile Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle verwendet. Algen jedoch sind ein nachwachsender Rohstoff und somit unbegrenzt in der Natur vorhanden. Außerdem nehmen Algen, um zu wachsen, das klimaschädliche Gas Kohlenstoffdioxid (chemisch: CO2) auf, was die H2-Herstellung mit Algen, zum Beispiel für die Nutzung als Bio-Kraftstoff, noch interessanter macht. Da Algen in Salz-, Brack- und Süßwasser gezüchtet werden können und sowohl offene Teiche als auch geschlossene Bioreaktoren für die Anzucht genutzt werden können, konkurrieren sie nicht mit Anbauflächen, die für andere Nutzpflanzen gebraucht werden. Für die Algenkultivierung können bei geeigneter Infrastruktur auch Flächen genutzt werden, die für die Landwirtschaft nicht von Interesse sind, wie beispielsweise Teile der Wüste.

Wasserstoff aus Mikroalgen

Chlamy

Bereits Ende der 1930er Jahre entdeckte ein Forscher, dass Grünalgen unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff produzieren können. Diese Tatsache macht sich die AG zunutze. Mit Hilfe halb-künstlicher Chloroplasten, der Entwicklung optimierter Algenstämme und anderen innovativen Ideen konnte das Team um Prof. Dr. Thomas Happe die Wasserstoffausbeute bereits verbessern. In zahlreichen Publikationen legt die Gruppe ihre Resultate und Erfolge ihrer biobasierten Forschung dar.

Publikationen

Winkler M, Senger M, Duan J, Esselborn J, Wittkamp F, Hofmann E, Apfel UP, Stripp ST, Happe T (2017): Accumulating the hydride state in the catalytic cycle of [FeFe]-hydrogenases. Nat Commun 8:16115.  doi: 10.1038/NCOMMS16115

Pandey K, Islam ST, Happe T, Armstrong FA (2017): Frequency and potential dependence of reversible electrocatalytic hydrogen interconversion by [FeFe]-hydrogenases. Proc Natl Acad Sci USA 114(15):3843-3848.  doi: 10.1073/pnas.1619961114

Sawyer A, Bai Y, Lu Y, Hemschemeier A, Happe T (2017): Compartmentalisation of [FeFe]-hydrogenase maturation in Chlamydomonas reinhardtii. Plant J 90:1134-1143.  doi: 10.1111/tpj.13535

Adam D, Bösche L, Castaneda-Losada L, Winkler M, Apfel UP, Happe T (2016): Sunlight dependent hydrogen production by photosensitizer/hydrogenase systems. ChemSusChem 10(5):894-902.  doi: 10.1002/cssc.201601523

Megarity CF, Esselborn J, Hexter SV, Wittkamp F, Apfel UP, Happe T, Armstrong FA(2016): Electrochemical investigations of the mechanism of assembly of the active-site H-cluster of [FeFe]-hydrogenases. J Am Chem Soc 138(46):15227-15233.  doi: 10.1021/jacs.6b09366

Noth J, Esselborn J, Güldenhaupt J, Brünje A, Sawyer A, Apfel UP, Gerwert K, Hofmann E, Winkler M, Happe T (2016): [FeFe]-Hydrogenase with chalcogenide substitutions at the H-cluster maintains full H2 evolution activity. Angew Chem Int Ed Engl 55:8396-8400.  doi: 10.1002/anie.201511896

Esselborn J, Muraki N, Klein K, Engelbrecht V, Metzler-Nolte N, Apfel UP, Hofmann E, Kurisu G, Happe T(2016): A structural view of synthetic cofactor integration into [FeFe]-hydrogenases. Chem Sci 7:959-968.  doi: 10.1039/C5SC03397G

Rumpel S, Siebel JF , Farès C, Duan J, Reijerse E, Happe T, Lubitz W, Winkler M(2014): Enhancing hydrogen production of microalgae by redirecting electrons from photosystem I to Hydrogenase. Energy Environ Sci 7:3296-3301.  doi:10.1039/C4EE01444h

Esselborn J, Lambertz C, Adamska-Venkatesh A, Simmons T, Berggren G, Noth J, Siebel J, Hemschemeier A, Artero V, Reijerse E, Fontecave M, Lubitz W, Happe T(2013): Spontaneous activation of [FeFe]-hydrogenases by an inorganic [2Fe] active site mimic. Nature Chem Biol 9(10):607-9.  doi:10.1038/nchembio.1311

Berggren G, Adamska A, Lambertz C, Simmons TR, Esselborn J, Atta M, Gambarelli S, Mouesca JM, Reijerse E, Lubitz W, Happe T, Artero V, Fontecave M(2013): Biomimetic assembly and activation of [FeFe]-hydrogenases. Nature 499(7456):66-9.  doi:10.1038/nature12239

Hemschemeier A, Düner M, Casero D, Merchant SS, Winkler M, Happe T(2013): Hypoxic survival requires a 2-on-2 hemoglobin in a process involving nitric oxide. Proc Natl Acad Sci U S A 110(26):10854-9.  doi:10.1073/pnas.1302592110

Weitere Publikationen:
Photobiotechnologie RUB

Haben Sie Fragen?

Wir beantworten gerne Ihre Fragen rund um SolarBioproducts Ruhr und das Thema Algen. Nehmen Sie dazu einfach Kontakt zu uns auf.