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03.06.2013

Auf dem Weg zur Photobioelektrode

Enzymreaktionen durch Licht antreiben, Sonnenenergie in biochemische Wertstoffe umwandeln – das ist das Ziel des Forschertandems um Fred Lisdat von Technischen Hochschule Wildau und die Biophysiker Heiko Lokstein und Athina Zouni von der TU Berlin. Die Forscher wollen die Sonnenenergie nutzen, um biokatalytische Prozesse zu steuern. Dazu wollen sie eine sogenannte Photobioelektroden-Struktur entwickeln. Sie soll eine durch Licht aktivierbare Elektrode mit einem Enzymsystem kombinieren. Die Tandempartner bringen Expertisen aus der Photosynthese-Forschung, Elektrochemie und Bionanotechnologie zusammen.

Photobioelektrode
Eine Photobioelektrode fängt Licht über ein Photosystem ein (Mitte) und überträgt Elektronen auf ein Synthese-Enzym.
Quelle: 
Fred Lisdat/ TH Wildau

Sonnenstrahlen einfangen und in Form von energiereichen Zuckermolekülen speichern – das ist eine physikalisch-chemische Meisterleistung, die die Natur in den vergangenen Jahrmillionen auf ihre Weise perfekt gelöst hat. Nur zu gerne würden Biophysiker die Photosynthese zumindest in Teilen nachahmen, um so energiereiche chemische Verbindungen herzustellen.  Dieses Ziel verfolgen auch die Forscher in dem Tandem-Projekt „Nutzung von Sonnenenergie für die Bioelektrokatalyse – Entwicklung von Photobioelektrodenstrukturen“. Die Experten von der Technischen Hochschule im brandenburgischen Wildau (Fred Lisdat) und der TU Berlin (Heiko Lokstein und Athina Zouni) wollen eine Elektrode entwickeln, auf der Proteinkomplexe miteinander kombiniert werden, die drei unterschiedliche Dinge leisten können: Licht einfangen, Elektronen transportieren und über diesen Weg Enzyme aktivieren.

Als Lichtsammelsystem haben die Forscher zunächst das Photosystem I (PSI) von thermophilen Cyanobakterien ins Visier genommen, mit dem sich die Berliner Forscher vom Max-Volmer-Labor für Biophysikalische Chemie schon länger beschäftigen. Die Photosynthese-Spezialisten verfügen über das entsprechende Equipment, um die relevanten PS-Komponenten zu isolieren und zu untersuchen. Die photoaktiven Moleküle sollen auf Elektroden aufgebracht werden. „Hierbei sind Nanomaterialien oder Polymere als Basis denkbar“, sagt Fred Lisdat. An der TH Wildau experimentieren die Forscher dazu auch mit Nanopartikeln aus Halbleitermaterial - den sogenannten Quantendots -, da auch diese Licht-aktivierbar und mit Elektroden kombinierbar sind.  Damit die wandernden Elektronen am Ende auf Enzyme für die biochemische Synthese übertragen werden können, planen die Forscher auch mit einfachen biologischen Redoxproteinen (z.B. Ferredoxin) zu arbeiten.

Die photobiokatalytischen Elektroden wollen die Forscher perspektivisch dafür einsetzen um mit Hilfe von Sonnenlicht Spezialchemikalien herzustellen. (pg)

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