Chemische Wertstoffe herstellen, ohne dem Prozess Energie zuführen zu müssen – was in der klassischen Chemie undenkbar scheint, soll in der Biotechnologie bald Realität werden. Dazu analysieren Elektrobiochemiker einen Trick aus der Natur – die Photosynthese. Mit ihr gelingt es Pflanzen, Sonnenlicht zu nutzen, um chemische Energie zu erzeugen. Im Tandemprojekt „Nutzung von Sonnenenergie für die Bioelektrokatalyse“ haben Wissenschaftler um Fred Lisdat von der TH Wildau sowie Heiko Lokstein und Athina Zouni von der HU Berlin „photobiohybride Elektroden für die lichtgetriebene Wertstoffsynthese“ entwickelt. Kurzum: Das Team hat spezielle Elektroden entwickelt, die aus Sonnenlicht Strom erzeugen können und die die Basis für die Kopplung mit enzymatischen Synthesen von Wertstoffen darstellen.
Photoaktive Moleküle mit Wertstoffsynthese kombinieren
„Die Photosynthese technisch zu imitieren, ist eine alte Idee“, schildert der Biosystemtechniker Fred Lisdat. „Unser Ansatz war es, die faszinierenden Eigenschaften der beteiligten Biomoleküle technisch nutzbar zu machen, indem wir die hochenergetischen Elektronen neben der Stromproduktion für die Wertstoffsynthese nutzen.“ Möglich wird dieser Ansatz erst durch die großen Fortschritte, die die Biochemie in den vergangenen 20 Jahren gemacht hat. „Heute kennt man die aktiven Zentren der Enzyme, und auch deren Herstellung und Aufreinigung hat sich ungeheuer weiterentwickelt“, erläutert Lisdat. „Dies ist eine gute Basis für die Nutzung dieser Katalysatoren, die ohne toxische Nebenprodukte regenerativ gewonnen werden können.“ Auch heute kann man Halbleitern noch keine Konkurrenz bei der Stromerzeugung machen. „Aber hier haben wir die Chance, nicht nur Strom zu gewinnen, sondern dies gleich mit einer Wertstoffsynthese zu kombinieren“, betont der Bioelektrochemiker.
Grundlage für das Tandem-Forschungsprojekt ist die heutige Möglichkeit, die Oberflächenstruktur von Elektroden bis in den Nanometerbereich zu definieren. So können die Forscher die Oberflächen auf die Struktur und Chemie der Biomoleküle einstellen. Im Fokus standen dabei das Photosystem I (PSI), ein Enzymkomplex der natürlichen Photosynthese, und seine Kombination mit einem geeigneten Elektrodendesign. Weil es besonders stabil ist und seine Struktur bekannt, entschieden sich die Wissenschaftler für das PSI aus dem thermostabilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus.
Redoxprotein als Elektronentransporter
„Der direkte Kontakt zwischen dem Photosystem I und einer technischen Elektrode, wie z.B. Gold oder Kohlenstoff, gelingt eher schlecht“, weist Lisdat auf eine Schwierigkeit hin. Als Bindungsglied setzte das Team deshalb zunächst auf das kleine Redoxprotein Cytochrom C, das zwar im natürlichen Photosystem keine Rolle spielt, aber in praktisch allen Lebewesen vorkommt und dabei häufig als Elektronentransporter dient. Genau diese Aufgabe sollte das Protein auch in der Photobioelektrode erfüllen. Setzten die Forscher nur eine Schicht der PSI-Enzyme ein, funktionierte das System gut. Ein Mehrschichtsystem steigerte wie erwartet die Stromdichte, erwies sich aber bei großer Dicke als nicht sehr stabil.
In einem zweiten Ansatz konstruierten die Forscher daher eine Elektrode, die anstelle einer planaren eine dreidimensional strukturierte Oberfläche besitzt. „Wie ein Schweizer Käse“, beschreibt Lisdat, „viele Löcher, in denen das Cytochrom C und das PSI binden können, und dazwischen leitfähige Wandungen“. Bei der richtigen Größe der Löcher floss der Strom so gut, dass die Publikation darüber international für Aufsehen sorgte. Sprach man vor zehn Jahren von Photostromdichten von hunderten Nanoampere pro Quadratzentimeter, so konnten die Forscher mit ihrem Projekt die Stromdichte um mehrere Größenordnungen steigern – auf mehr als 100 Mikroampere je Quadratzentimeter. Das Folgeprojekt konnte den Wert bis heute sogar noch einmal verdoppeln. Die Haltbarkeit der Elektrode betrug zudem mehrere Wochen – für ein enzymatisches System eine beachtliche Zeit.
Graphen als Elektrodenmaterial getestet
Anstatt ein Redoxprotein als Elektronentransporter zu verwenden, haben die Forscher außerdem einen Ansatz erprobt, bei dem sie das Elektrodenmaterial variierten, um eine Oberfläche zu finden, die ohne Hilfsproteine erfolgreich mit dem PSI interagiert. Die Wahl fiel auf Graphen, nur eine Molekülschicht dünnes Graphit. „Das Graphen war allerdings etwas zu hydrophob für das biologische Photosystem“, schildert Lisdat das anfängliche Problem. Indem die Forscher das Graphen mit bestimmten funktionellen Gruppen ausstatteten, konnten sie es aber so einstellen, dass das PSI stabil kovalent gebunden wurde. „Dieser Ansatz war pro Molekül und Zeit ziemlich effektiv“, resümiert Lisdat, „aber nicht so gut wie der vorherige 3D-Ansatz“. Auch Kohlenstoffnanoröhrchen anstelle von Graphen haben die Forscher getestet, „aber das hat überraschend schlecht funktioniert“, erklärt der Biosystemtechniker.
Doch das 3D-System barg zunächst einige Herausforderungen. Cytochrom C bestätigte sich zwar im Vergleich mit anderen Redoxproteinen als gute Wahl. Beim Aufbau des Systems galt es allerdings, seine Menge zu optimieren, bis schließlich die eindrucksvollen Stromstärken erzielt werden konnten. Die PSI-Moleküle müssen zudem so ausgerichtet sein, dass sich die Photoströme nicht gegenseitig aufheben. Insbesondere dürfen Moleküle, die vom Photosystem reduziert werden, nicht wieder an der Elektrode reagieren, um so einen Kurzschluss zu vermeiden. Und wie gelingt es, die Elektrode so zu konstruieren, dass sie gleichzeitig eine große Oberfläche bietet und für die Moleküle gut durchdringbar bleibt? Zudem muss die Elektrode dabei weitgehend transparent sein, denn das Licht, das die ganze Reaktion ja erst antreibt, muss die PSI-Moleküle in ihren Elektrodenlöchern gut erreichen können. „Obendrein muss die Herstellung einfach bleiben“, gibt Lisdat zu bedenken, denn das langfristige Ziel sei die industrielle Anwendung.
Photobioelektrische Details der Reaktion aufgeklärt
Eine wichtige Errungenschaft erwähnt der Biosystemtechniker nur am Rande: Noch vor wenigen Jahren war von den Details der Bioelektrochemie, die in einem solchen System abläuft, nur wenig verstanden. Genau diese Zusammenhänge mussten die Projektpartner aber enträtseln, um ihre Photobioelektrode optimieren zu können. Hierzu haben natürlich auch viele internationale Entwicklungen beigetragen, denn das Arbeitsgebiet birgt großes Potential. „Heute ist so ein System keine Blackbox mehr“, freut sich Lisdat. Großen Anteil an dem Erfolg habe seines Erachtens auch das Format des Förderprogramms. „Das Forschertandem ist eine geniale Idee. Es zwingt einen zum gegenseitigen Lernen und Verstehen, aber die Grenzbereiche eines Fachs zu stärken, zahlt sich aus!“
Den ersten Teil des Tandemprojekts hat das Bundesforschungsministerium von November 2012 bis Januar 2018 im Rahmen der Initiative Biotechnologie 2020+ mit rund 830.000 Euro gefördert. Wegen des großen Erfolgs hat sich direkt eine zweite Förderphase angeschlossen. Darin wollen die Forscher sich ihrem langfristigen Ziel weiter nähern: die Photostromdichte noch mehr erhöhen und schließlich eine Wertstoffsynthese ankoppeln, die aus der Photobioelektrode ihre Energie bezieht. Eine teure Zugabe des Energieträgermoleküls NADPH, wie sie heute bei enzymatischen Synthesen oft üblich ist, könnte dann entfallen.
Autor: Björn Lohmann
