Grüner Wasserstoff soll ein zentraler Energieträger in einer CO₂-neutralen Wirtschaft werden. Neben elektrochemischen Verfahren mit Ökostrom gibt es auch biotechnologische Ansätze, um derartigen Wasserstoff herzustellen. So können bestimmte Enzyme mit geringem Energieeinsatz Wasserstoff erzeugen. Besonders effizient sind darin sogenannte Hydrogenasen der Zwei-Eisen-Typ- [FeFe]-Hydrogenasen. Bereits vor zwölf Jahren identifizierte jedoch ein Forschungsteam unter Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) einen Gegenspieler, der das Enzym hemmt: Formaldehyd.

Formaldehyd blockiert den Protonen-Nachschub

Formaldehyd ist ein Konservierungsmittel, aber auch ein natürliches Stoffwechselprodukt in Zellen. Weil die Verbindung nicht nur die natürliche Wasserstoffproduktion durch Mikroorganismen hemmt, sondern auch industrielle Prozesse mit isolierten Hydrogenasen stören könnte, hat ein Team der RUB die Interaktion zwischen dem Enzym und dem Konservierungsmittel genauer untersucht.

Im „Journal of the American Chemical Society“ berichten die Forschenden, dass Formaldehyd sich an zwei Stellen mit Hydrogenasen verbindet. Eine dieser Stellen liegt im aktiven Zentrum des Enzyms, dort wo Elektronen und Protonen zu Wasserstoff reagieren. Problematisch ist jedoch die zweite Stelle, über die das Enzym die benötigten Protonen zum aktiven Zentrum transportiert. Dockt Formaldehyd dort an, ist der Nachschub für die Biokatalyse gestört.

Strukturveränderung des Enzyms behebt die Blockade

Das Forschungsteam hat daher den Bauplan des Enzyms genetisch geringfügig verändert, sodass die Protonen immer noch an ihr Ziel gelangen, aber Formaldehyd seine hemmende Wirkung kaum noch ausüben kann. „Zukünftige biotechnologische Anwendungen von [FeFe]-Hydrogenasen könnten durchaus die Anwesenheit von Formaldehyd beinhalten, sodass unsere veränderten, Formaldehyd-resistenten Biokatalysatoren hier zum Einsatz kommen könnten“, erläutert Jifu Duan von der RUB die Auswirkungen der neuen Erkenntnisse. Er hofft zudem, dass sich dieser Zusammenhang auf andere Biokatalysatoren übertragen lässt, die mit ähnlichen Problemen zu kämpfen haben. Auch die Grundlagenforschung könnte profitieren und natürliche Prozesse in Zellen besser verstehen.

bl