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Fachartikel
18. Dezember 2019

Forschung

Enzyme als Quelle für Wasserstoff als Kraftstoff

In den USA suchen Chemieprofessor Thomas Rauchfuss und seine Mitarbeitenden nach biologischen Prozessen, um eine effiziente Quelle für Wasserstoffgas als umweltfreundlichen Kraftstoff zu finden.

Forschung an verschiedenen Universitäten in Amerika hat Chemiker einen Schritt vorangebracht, um die effizientesten Maschinen der Natur zur Erzeugung von Wasserstoffgas nachzubauen. Die neue Entwicklung kann dazu beitragen, den Weg für die Industrie von Wasserstoff als Kraftstoff frei zu machen, um eine grössere Rolle im globalen Vorstoss für umweltfreundlichere Energiequellen zu übernehmen.

Derzeit wird Wasserstoffgas in einem sehr komplexen industriellen Prozess erzeugt, der seine Attraktivität für den Markt für «grüne Kraftstoffe» begrenzt, sagten sich die Forscher. Als Reaktion darauf suchen die Wissenschaftler nach biologisch synthetisiertem Wasserstoff, der weitaus effizienter ist als der derzeit vom Menschen hergestellte Prozess, erklärte Chemieprofessor Thomas Rauchfuss, Co-Auto der Studie.

Eisen-Eisen und Nickel-Eisen

Biologische Enzyme, die sogenannten Hydrogenasen, sind die Maschinen der Natur zur Herstellung und Verbrennung von Wasserstoffgas. Diese Enzyme gibt es in zwei Varianten, Eisen-Eisen und Nickel-Eisen - benannt nach den Elementen, die für die Steuerung der chemischen Reaktionen verantwortlich sind. Die neue Studie konzentriert sich auf die Eisen-Eisen-Sorte, weil sie die Arbeit schneller erledigt, sagten die Forscher.

Das Team kam in die Studie mit einem allgemeinen Verständnis der chemischen Zusammensetzung der aktiven Stellen innerhalb des Enzyms. Sie gingen davon aus, dass die Standorte aus 10 Teilen zusammengesetzt wurden: vier Kohlenmonoxid-Molekülen, zwei Cyanid-Ionen, zwei Eisen-Ionen und zwei Gruppen einer schwefelhaltigen Aminosäure namens Cystein.

Auf der Suche nach dem letzten Bit

Das Team entdeckte, dass es stattdessen wahrscheinlicher war, dass der Motor des Enzyms aus zwei identischen Gruppen mit fünf Chemikalien bestand: zwei Kohlenmonoxid-Molekülen, einem Cyanid-Ion, einem Eisen-Ion und einer Cysteingruppe. Die Gruppen bilden eine fest verbundene Einheit, und die beiden Einheiten ergeben zusammengenommen insgesamt 10 Teile für den Motor.

Aber die Laboranalyse des laborsynthesierten Enzyms ergab eine endgültige Überraschung, führt Rauchfuss aus: «Unser Rezept ist unvollständig. Wir wissen jetzt, dass 11 Bits erforderlich sind, um die aktive Site-Maschine zu machen, nicht 10, und wir sind auf der Suche nach diesem einen letzten Bit.»

Im Labor reproduzieren

Die Teammitglieder sagen, dass sie sich nicht sicher sind, zu welchen Anwendungen dieses neue Verständnis des Eisen-Eisen-Hydrogenase-Enzyms führen wird, aber die Forschung könnte einen Baukasten liefern, der für andere Katalysatorentwicklungsprojekte lehrreich sein wird.

«Der Take-away aus dieser Studie ist, dass es eine Sache ist, sich vorzustellen, das reale Enzym zu verwenden, um Wasserstoffgas zu produzieren, aber es ist viel mächtiger, seine Zusammensetzung gut genug zu verstehen, um es für die Verwendung im Labor zu reproduzieren», meinte Thomas Rauchfuss. abschliessend

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