An der Spitze der Hydrogenase-Forschung

Sein Team sieht Happe an der weltweiten Spitze der Hydrogenase-Forschung . Über sich selbst sagt er: „Ich bin Grundlagenforscher mit Ideen zur Anwendung – aber zuerst muss man die biologischen Mechanismen verstehen.“ Das sei faszinierend, oft aber auch sehr kompliziert. Das Interesse an seiner Arbeit erfährt Höhen und Tiefen. In der Klimawandel-Diskussion erlebe Wasserstoff gerade wieder eine große Aufmerksamkeit.

Was hat es denn nun auf sich mit der Hydrogenase? „Das Enzym kann in der Sekunde 10.000 Wasserstoffmoleküle herstellen, aber verträgt keinen Sauerstoff“, schildert Happe. Er sucht deshalb nach Möglichkeiten, das Enzym so zu verändern oder nachzubauen, dass Sauerstoff die Reaktion nicht länger stört. „Mein Alexander-Flemming-Experiment war, als wir einen chemisch synthetisierten Cofaktor mit einer Proteinhülle zusammenbrachten und so einen hoch effektiven biologischen Katalysator erhielten.“ Die technischen Möglichkeiten dazu habe es schon seit zwei Jahrzehnten gegeben, „aber es haben wohl alle bezweifelt, dass das klappen kann“, vermutet der Forscher, dem auch im eigenen Team zunächst Skepsis entgegenschlug. Mit diesem experimentellen Werkzeug standen Happe und seinem Team völlig neue Möglichkeiten offen, die biologische Wasserstoffbildung im atomaren Detail zu verstehen und sogar nachzubauen.

Stabile Alternativen zum ganzen Enzym

Künftig soll es genügen, anstelle der ganzen Proteinhülle nur bestimmte Aminosäuren dieser Hülle zu erzeugen und daran den für die Katalyse entscheidenden Cofaktor zu binden. „Dazu führen wir gezielte Änderungen auf atomarer Ebene ein und beobachten anhand der Kristallstrukturen, was das für die Katalyse bedeutet“, erklärt der Photobiotechnologe das Vorgehen. Das langfristige Ziel ist es, den Cofaktor an stabile, sauerstoffunempfindliche Strukturen zu binden.

Neben der Wasserstoffherstellung beschäftigt sich Happes Team auch mit weiteren Stoffen, die Algen produzieren können, beispielsweise für pharmazeutische Anwendungen. Ein interessantes Thema für Happe ist außerdem NADH, jenes Molekül, das als Elektronenträger biologische Reaktionen antreibt. Chemisch ist dessen Herstellung teuer, doch für biotechnologische Prozesse ist es oftmals unerlässlich. Gern würde Happe die Methoden der Zellen nachbilden, denen die NADH-Herstellung problemlos gelingt. Darüber hinaus wirkt die Gruppe des Forschers im Exzellenzcluster „Resolv“ mit, „das bietet viele Möglichkeiten, mit Chemikern vor Ort zu kooperieren“.

Gemeinsam forscht sich‘s besser

Überhaupt: Neben der Internationalität ist Kooperation in den Augen Happes ein Schlüsselelement der Forschung. Es sei viel sinnvoller, ein teures Forschungsgerät, das man vielleicht nur zweimal im Monat benötigt, bei einem Kooperationspartner zu nutzen, als es selbst anzuschaffen. „Außerdem macht die Forschung gemeinsam viel mehr Spaß“, weiß der Bochumer. Das hat er während seines Sabbaticals belegt, das er gemeinsam mit seiner Familie in Australien und Japan verbrachte. Bei dortigen Forschungspartnern, die längst Freunde sind, hat er im Labor mitgewirkt und neue Ideen entwickelt, „frei von den täglichen Routinen einer Universität“, so Happe. „Im Kopf bin ich ständig bei meinem Beruf.“ Will er doch mal den Kopf frei bekommen, liest er gern, arbeitet im Garten, bewegt sich in der Natur bei ausgiebigen Spaziergängen oder nutzt dazu die Fahrradfahrt zwischen Wohnort und Universität.

Die Lehre schätzt der Professor trotzdem sehr. „Es freut mich, die Begeisterung in den Augen der jungen Leute zu sehen.“ Gerne begleite er junge Forscher, helfe und gebe Tipps. „Man spricht ja nicht umsonst vom Doktorvater.“ Nicht zuletzt böten die Vorlesungen Abwechslung: „Wenn die Forschung mal gerade schlecht läuft, freue ich mich umso mehr auf die Lehre“, schmunzelt Happe.

Neue Ansätze für die Zukunft

Für die Zukunft ist der Forscher voller Ideen. Erst kürzlich habe man gezeigt, dass die Biologie Wasserstoff anders zusammensetzt als der Chemiker. Letzterer fügt zunächst ein Elektron und ein Proton zu einem Wasserstoffatom zusammen, um dann mit viel Energieaufwand aus zwei Atomen ein Molekül zu formen. Die Natur allerdings erzeugt zunächst ein instabiles Hydridion aus zwei Elektronen und einem Proton, dem dann das zweite Proton hinzugefügt wird, um das Wasserstoffmolekül zu komplettieren. Das eröffnet ganz neue Forschungsansätze.

Natürlich weiß Happe, dass es von den Grundlagen bis zu einer Produktion im Großmaßstab ein weiter Weg ist. Dort warten neue Herausforderungen wie beispielsweise die, in einem großen Bioreaktor an alle Algenzellen genügend Licht zu leiten, ohne dass deren Stoffwechsel gestört wird. Daher arbeitet Happes Team auch daran, die Stoffwechselgrundlagen der Algen zu verstehen. Aber vor allem lockt den Forscher die Suche nach einfachen, günstigen Strukturen, auf die sich der Cofaktor der Hydrogenase übertragen lässt, und die man an Membranen binden kann, um so regenerativ Wasserstoff zu erzeugen. Aktuell untersucht sein Team, ob dazu nicht auch die chemisch sehr robuste DNA geeignet sein könnte. Bei der Produktionsmenge werden biologische Verfahren jedoch noch nicht mit chemischen Wasserstofffabriken konkurrieren können. „Mit unserem Wasserstoff werden Sie kein Auto antreiben, aber kleine Strukturen, beispielsweise Mikrobrennstoffzellen für Beleuchtungen.“

Darüber hinaus möchte Happe die Möglichkeiten der Algen bekannter machen. Dazu hat er 2015 das Start-up SolarBioproducts Ruhr mitgegründet. Es soll die Algenbiotechnologie vernetzen, aber auch durch Kochkurse und Wissenschaftsnächte in der Öffentlichkeit bekannter machen. Denn Algen können noch viel mehr als Wasserstoff herstellen.

Autor: Björn Lohmann