Seit Jahren arbeiten Forschende daran, das Treibhausgas Kohlendioxid mithilfe von Bakterien als Rohstoff für die chemische Industrie nutzbar zu machen. Im Rahmen des Exzellenzclusters Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat) konnten Berliner Forschende erstmals den molekularen Mechanismus aufklären, mit dem Bakterien Kohlendioxid (CO₂) effizient in Kohlenmonoxid (CO) umwandeln. Damit ist dem Team um Christian Lorent von der TU Berlin eigenen Angaben nach ein Durchbruch in der Katalyse-Forschung gelungen. Er könnte neue Perspektiven bei der Entwicklung bioinspirierter Katalysatoren und damit für Klimaschutz und grüne Chemie eröffnen.

Reaktionsprozess auf atomarer Ebene sichtbar gemacht

Die im Fachjournal Nature Catalysis veröffentlichte Studie zeigt erstmals alle katalytisch relevanten Zustände des nickelhaltigen Enzyms Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) in atomarer Auflösung. Den Forschenden zufolge ist der Nickel-Eisen-Komplex tief im Inneren des Enzyms verborgen. Welche Funktion er hat, war bisher unklar. Mit modernsten Methoden wie Röntgenkristallografie, Infrarot- und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie gelang es nun, sämtliche Zwischenstufen des Reaktionsprozesses lückenlos sichtbar zu machen.

„Bakterien nutzen diese Dehydrogenase als biologischen Katalysator, der die Umwandlung von CO₂ in CO genauso wie die umgekehrte Reaktion möglich macht“, erklärt Lorent. Demnach kann sich das dabei gebildete, reaktionsfreudigere CO-Molekül mit anderen Stoffen zu Substanzen verbinden, die nützlich für den Stoffwechsel des Bakteriums sind. „Wird das Kohlenmonoxid dagegen zu Kohlendioxid verbrannt, wird Energie frei, die das Bakterium nutzen kann“, so Lorent. Für diese Reaktionen würden ein Nickel- und ein Eisenatom die Gasmoleküle quasi in die Zange nehmen. Im Weiteren übernimmt das Nickel-Ion demnach jeweils die Bindung der beiden Moleküle und fügt Elektronen in das CO₂-Molekül ein oder nimmt sie vom CO auf.

Bauplan für die Entwicklung neuartiger Katalysatoren

„Es ist faszinierend, dass wir diesen ausgeklügelten Prozess, den die Evolution in mehreren Milliarden Jahren optimiert hat, nun ganz genau beobachten können“, so Lorent. Die Studie gibt nicht nur grundlegende Einblicke in den biologischen Prozess der bakteriellen Umwandlung von CO₂ in CO. Sie liefert auch einen Bauplan für die Entwicklung neuartiger Katalysatoren. Solche bioinspirierten Systeme könnten den Forschenden zufolge künftig CO₂ „selektiv und hocheffizient“ in wertvolle Grundstoffe für die chemische Industrie umwandeln, die für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe und für den Übergang zu einer CO₂-neutralen Wirtschaft wichtig sind. 

bb