Es ist einer der wichtigsten Proteinkomplexe für das Leben auf der Erde: das sogenannte Photosystem I. Als Bestandteil der Photosynthese dient der Komplex Pflanzen dazu, aus Sonnenlicht Energie für ihren Stoffwechsel zu gewinnen. Elektrochemiker versuchen schon lange, dieses Prinzip für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Einen wichtigen Fortschritt hat nun ein Team der Universität Bochum erzielt.

Von der Evolution optimiert

Die pflanzliche Photosynthese ist für Wissenschaftler gleich doppelt interessant: Zum einen ist der Prozess im Laufe von Millionen Jahren Evolution stetig optimiert worden und verläuft sehr effizient. Zum anderen sind Proteine leicht und ökologisch verfügbar – im Gegensatz zu den Katalysatoren mancher chemischer Verfahren.

Bioelektroden mit Haltbarkeitsproblem

Inzwischen haben mehrere Forschungsgruppen demonstriert, wie sich mit Bioelektroden, die das Photosystem I verwenden, Strom erzeugen lässt. Allerdings besitzen diese Bioelektroden eine sehr begrenzte Haltbarkeit. „Um nachhaltig und effizient Energie zu erzeugen, müssen wir die Prozesse, die die Lebensdauer von Technologien zur Umwandlung erneuerbarer Energien begrenzen, nicht nur verstehen, sondern auch überwinden“, erläutert Wolfgang Schuhmann von der Universität Bochum den Ansatz, dessen Ergebnis die Forscher nun im „Journal of the American Chemical Society“ präsentieren.

Sauerstofffreie System halten viel länger

Das Team stellte fest, dass die begrenzte Haltbarkeit der Bioelektrode darauf zurückzuführen ist, dass reaktive Moleküle das Photosystem I schädigen. Für die Entstehung dieser reaktiven Moleküle ist Sauerstoff verantwortlich. „Daher haben wir das Design von Bioelektroden vorgeschlagen, die in einer sauerstofffreien Umgebung arbeiten“, erklärt Felipe Conzuelo.

Meilenstein für Photobioelektroden

Versuche mit den neuen Bioelektroden haben den Ansatz bestätigt: Unter Ausschluss von Sauerstoff verlängerte sich deren Lebensdauer deutlich. „Wir haben damit einen wichtigen Schritt zur effizienten Entwicklung und späteren Anwendung von Photobioelektroden zur Energieumwandlung gemacht“, resümiert Fangyuan Zhao den Erfolg.

Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 2033 Projektnummer 390677874) sowie der deutsch-israelischen Projektkooperation im Projekt „Nanoengineered optoelectronics with biomaterials and bioinspired assemblies“.

bl