{"id":65370,"date":"2022-11-01T09:24:21","date_gmt":"2022-11-01T08:24:21","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=65370"},"modified":"2022-11-01T09:56:57","modified_gmt":"2022-11-01T08:56:57","slug":"bakterien-fuer-den-klimaschutz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/bakterien-fuer-den-klimaschutz\/","title":{"rendered":"Bakterien f\u00fcr den Klimaschutz"},"content":{"rendered":"<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>Alltagstaugliche Wasserstoffspeicherung und die Aussicht auf den Abbau von Kohlendioxid<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p>Diese Entdeckung war fast zu sch\u00f6n, um wahr zu sein: Mitglieder der Arbeitsgruppe von Volker M\u00fcller, Leiter der Abteilung Molekulare \u201eMikrobiologie und Bioenergetik\u201c an der Goethe-Universit\u00e4t, fanden 2013 ein bemerkenswertes Enzym: die \u201ewasserstoffabh\u00e4ngige CO<sub>2<\/sub>-Reduktase\u201c \u2013 nach den Anfangsbuchstaben (der englischen Bezeichnung) auch als HDCR bezeichnet. Als einziges bekanntes Enzym verarbeitet HDCR nichts anderes als die Gase Wasserstoff (H<sub>2<\/sub>) und Kohlendioxid (CO<sub>2<\/sub>) und bewirkt, dass aus ihnen Ameisens\u00e4ure entsteht. Oder anders ausgedr\u00fcckt: HDCR speichert den Wasserstoff in Form von Ameisens\u00e4ure \u2013 diese hat eine ausgesprochen praktische Eigenschaft: Sie ist fl\u00fcssig. Wasserstoff kann auf diese Weise also sehr viel einfacher und risiko\u00e4rmer gespeichert, transportiert und zur Energieerzeugung eingesetzt werden, als das mit dem \u00e4u\u00dferst explosiven Gas H<sub>2<\/sub>\u00a0m\u00f6glich w\u00e4re. Erst dadurch sollte es realistisch sein, auch im Alltag Wasserstoff als CO2-neutralen Energietr\u00e4ger der Zukunft zu nutzen.<\/p>\n\n\n\n<p>Das Wort \u201eReduktase\u201c im Namen des Enzyms weist dabei darauf hin, dass sich bei der Herstellung von Ameisens\u00e4ure aus H<sub>2<\/sub>\u00a0und CO<sub>2<\/sub> die elektronische Struktur der beteiligten Atome\/Molek\u00fcle \u00e4ndert: Der Wasserstoff gibt Elektronen an ein CO<sub>2<\/sub>-Molek\u00fcl weiter, und an dieser Elektronen-Transaktion sind keine weiteren \u00dcbertr\u00e4ger-Molek\u00fcle beteiligt. Noch zwei andere Eigenschaften zeichnen das Enzym HDCR aus: Zum einen ist der Prozess der Ameisens\u00e4ureherstellung vollst\u00e4ndig umkehrbar \u2013 der so gespeicherte Wasserstoff kann letztlich wieder freigesetzt werden und steht damit wieder als Energietr\u00e4ger zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image alignright size-full is-resized\"><a href=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2022\/10\/Bild_UR5.22_Klimaschutz.jpg\"><img fetchpriority=\"high\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2022\/10\/Bild_UR5.22_Klimaschutz.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-65372\" width=\"488\" height=\"320\" srcset=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2022\/10\/Bild_UR5.22_Klimaschutz.jpg 650w, https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2022\/10\/Bild_UR5.22_Klimaschutz-300x197.jpg 300w, https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2022\/10\/Bild_UR5.22_Klimaschutz-18x12.jpg 18w\" sizes=\"(max-width: 488px) 100vw, 488px\" \/><\/a><figcaption>Schematic cycle of future bi-directional H<sub>2<\/sub>\u00a0storage via direct hydrogenation of CO<sub>2<\/sub> to formate using a single bioreactor. Schwarz et al., Joule 6, 1304\u20131319 June 15, 2022.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Zum anderen beschleunigt das Enzym HDCR die Ameisens\u00e4ureherstellung \u00e4u\u00dferst effizient: \u201eDie Raten, mit denen CO<sub>2<\/sub> und H<sub>2<\/sub>\u00a0unter HDCR-Einfluss zu Ameisens\u00e4ure und zur\u00fcck reagieren, sind die h\u00f6chsten je gemessenen\u201c, berichtet M\u00fcller, \u201esie sind um ein Vielfaches gr\u00f6\u00dfer als bei anderen biologischen oder chemischen Katalysatoren.\u201c Und anders als beim Einsatz chemischer Katalysatoren komme die Ameisens\u00e4ureherstellung mittels HDCR ohne teure Edelmetall-Katalysatoren und ohne Extrembedingungen wie hohe Dr\u00fccke und gro\u00dfe Hitze aus, f\u00fcgt er hinzu.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>Unscheinbar, aber entscheidend<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p>Das Enzym HDCR kommt im Zytoplasma verschiedener Bakterien vor: so etwa in dem hitzeliebenden Bakterium <em>Thermoanaerobacter kivui (T. kivui)<\/em>, das unter Luftabschluss beispielsweise im Schlamm des ostafrikanischen Kivu-Sees lebt, ebenso wie in Acetobacterium woodii (A. woodii), das gem\u00e4\u00dfigte Temperaturen bevorzugt. Als M\u00fcller und Mitglieder seiner Arbeitsgruppe vor zehn Jahren begannen, die HDCR im Labor zu untersuchen, stellten sie allerdings fest, das ihrem Einsatz in der praktischen Ameisens\u00e4ureproduktion (und damit der Speicherung von Wasserstoff) ein auf den ersten Blick unscheinbares, tats\u00e4chlich aber entscheidendes Detail im Weg stand: HDCR ist extrem sauerstoffempfindlich, schon winzigste Mengen an Sauerstoff bewirken, dass das Enzym seine Aufgabe bei der Herstellung von Ameisens\u00e4ure nicht mehr erf\u00fcllen kann.<\/p>\n\n\n\n<p>Der Bioreaktor, den Fabian Schwarz jetzt w\u00e4hrend seiner Doktorarbeit in M\u00fcllers Arbeitsgruppe entwickelt hat, umgeht dieses Problem auf ebenso einfache wie elegante Weise: In diesem Bioreaktor wird das Enzym HDCR gar nicht erst aus den Bakterien isoliert, sondern in seiner \u201enat\u00fcrlichen Umgebung\u201c, dem Zytoplasma der Bakterien, belassen. \u201eWir stellen unseren Bioreaktor in \u201aJoule\u2018 vor, einem angesehenen Fachmagazin f\u00fcr chemische und physikalische Verfahrenstechnik\u201c, sagt M\u00fcller, \u201eund wir demonstrieren, wie er f\u00fcr mehr als zwei Wochen sehr stabil gelaufen ist.\u201c Dass das Paper der Frankfurter Mikrobiologen in \u201eJoule\u201c zur Ver\u00f6ffentlichung angenommen wurde, belege die Alltagstauglichkeit des Verfahrens.<\/p>\n\n\n\n<p>Zu diesem Verfahren geh\u00f6rt, dass die Bakterien des Bioreaktors w\u00e4hrend einer achtst\u00fcndigen \u201eTagphase\u201c mit Wasserstoff und Kohlendioxid versorgt werden, so dass sie daraus mit Hilfe des Enzyms HDCR Ameisens\u00e4ure bilden, mit anderen Worten: so dass sie den Wasserstoff in Form von Ameisens\u00e4ure speichern. W\u00e4hrend der folgenden 16-st\u00fcndigen \u201eNachtphase\u201c werden die Bakterien von der Wasserstoffzufuhr abgeschnitten und setzen den Wasserstoff daraufhin vollst\u00e4ndig wieder frei.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>Wasserstoff aus regenerativen Quellen<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p>Dabei deuten die Bezeichnungen \u201eTag\u201c und \u201eNacht\u201c schon an, dass dieser nicht mit irgendwelchem Wasserstoff betrieben werden soll, sondern mit nachhaltig produziertem, also \u201egr\u00fcnem\u201c Wasserstoff. H<sub>2<\/sub> wird n\u00e4mlich durch Elektrolyse aus Wasser (H<sub>2<\/sub>O) gewonnen: indem man das Wasser \u201eunter Strom setzt\u201c, und dieser Strom stammt im Fall von gr\u00fcnem Wasserstoff aus regenerativen Quellen, wird also typischerweise von Solarzellen in Photovoltaikanlagen erzeugt. Das hei\u00dft, der Wasserstoff steht am Tag zur Verf\u00fcgung \u2013 \u201eeben wenn die Sonne scheint\u201c, kommentiert M\u00fcller.<\/p>\n\n\n\n<p>Von alleine bleibt es allerdings nicht dabei, dass Ameisens\u00e4ure entsteht: Normalerweise reagiert Ameisens\u00e4ure weiter zu Essigs\u00e4ure \u2013 und die Essigs\u00e4ure kann (anders als Ameisens\u00e4ure) nicht einfach wieder in die gasf\u00f6rmigen Ausgangsprodukte Wasserstoff (H<sub>2<\/sub>) und Kohlendioxid (CO<sub>2<\/sub>) zur\u00fcckverwandelt werden. Durch die Folgereaktion zu Essigs\u00e4ure w\u00fcrde also ein Teil des gespeicherten Wasserstoffs f\u00fcr die Energieerzeugung verloren gehen; um das zu vermeiden, haben die Forschenden den Bioreaktor mit genetisch ver\u00e4nderten <em>A.woodii<\/em>-Bakterien betrieben, in denen die Essigs\u00e4urebildung unterdr\u00fcckt ist.<\/p>\n\n\n\n<p>Charakteristisch f\u00fcr den von Schwarz und M\u00fcller entwickelten Bioreaktor ist, dass beide Reaktionsrichtungen, sowohl die Bildung von Ameisens\u00e4ure als auch die Freisetzung von Wasserstoff, in ein und derselben Anlage ablaufen \u2013 insbesondere das ist sinnvoll, wenn kommunale Energieversorger und sogar Privathaushalte das Verfahren \u201eauf dem heimischen Balkon\u201c nutzen wollen. Theoretisch wird dabei w\u00e4hrend der Tagphase sogar Kohlendioxid aus der Luft entfernt \u2013 allerdings wird dieses im Verlauf des Bioreaktorbetriebs (w\u00e4hrend der Nachtphase) wieder freigesetzt, so dass der CO<sub>2<\/sub>-Gehalt der Atmosph\u00e4re insgesamt gleich bleibt.<\/p>\n\n\n\n<p>Per Saldo Kohlendioxid aus der Atmosph\u00e4re zu entfernen, erscheint allerdings erst jetzt nicht nur Wunschtraum oder Science-Fiction zu sein \u2013 die Voraussetzung daf\u00fcr sind weitere Erkenntnisse aus M\u00fcllers Arbeitsgruppe: Nachdem deren Mitglieder das Enzym HDCR entdeckt und bei ersten Untersuchungen herausgefunden hatten, dass schon kleinste Mengen an (Luft-)Sauerstoff ausreichen, es funktionsunf\u00e4hig zu machen, wandten sie sich n\u00e4mlich nicht nur der Entwicklung des Bioreaktors zu, also einer m\u00f6glichen (wichtigen!) Anwendung, die Probleme durch den Einfluss von Sauerstoff ganz einfach umgeht.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>Struktur und Funktionsprinzip<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p>Anhand der HDCR des in Ostafrika entdeckten Bakteriums <em>T. kivui <\/em>untersuchten sie au\u00dferdem, wie das Enzym im Einzelnen aufgebaut ist \u2013 in der Erwartung, dass seine Struktur ihnen auch etwas \u00fcber die Funktionsweise verr\u00e4t. Dabei stellten sie zun\u00e4chst fest, dass das Enzym HDCR aus vier Modulen besteht: eines, an dem die H<sub>2<\/sub>-Molek\u00fcle, aus denen gasf\u00f6rmiger Wasserstoff besteht, aufgespalten werden. Dann zwei kleine Module, die jeweils Eisen und Schwefel enthalten. Und schlie\u00dflich eines, an dem aus Kohlendioxid Ameisens\u00e4ure gebildet wird.<\/p>\n\n\n\n<p>\u201eAls wir die kleinen Eisen-Schwefel-Untereinheiten gefunden hatten, wussten wir: Sie m\u00fcssen es sein, die bei der Ameisens\u00e4ureherstellung Elektronen von einem Teil des Enzyms zum anderen leiten\u201c, sagt M\u00fcller, \u201ehier passiert also die Elektronen-Transaktion, die f\u00fcr die Enzym-Aktivit\u00e4t der Reduktase HDCR entscheidend ist.\u201c M\u00fcller, seine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sowie Forscher aus Marburg und Basel griffen allerdings noch tief in die Trickkiste, um das zu beweisen \u2013 daf\u00fcr wurden sie jetzt mit einer Ver\u00f6ffentlichung im hoch angesehenen Wissenschaftsmagazin \u201eNature\u201c belohnt; indem sie die Struktur von HDCR atomgenau aufkl\u00e4rten, fanden die Forscher heraus, wie die Bildung von Ameisens\u00e4ure im Einzelnen abl\u00e4uft. Sie ermittelten, wie die Speicherung von Wasserstoff in Form von (fl\u00fcssiger) Ameisens\u00e4ure funktioniert und warum sie so effizient abl\u00e4uft, dass dieser Mechanismus sich als Funktionsprinzip eines alltagstauglichen Bioreaktors eignet.<\/p>\n\n\n\n<p>Nachdem sie die Bakterien und ihre HDCR zun\u00e4chst noch mit einem konventionellen Elektronenmikroskop betrachtet hatten, untersuchten sie diese n\u00e4mlich jetzt mittels Kryo-Elektronenmikroskopie: Das ist zwar \u201eeinfach\u201c Elektronenmikroskopie, bei der das Untersuchungsobjekt beispielsweise von fl\u00fcssigem Stickstoff (-196\u00b0C) oder fl\u00fcssigem Helium (-269\u00b0C) gek\u00fchlt wird. Aber weil erstens bei diesem Verfahren leistungsf\u00e4higere Kameras eingesetzt werden, weil zweitens die Aufnahmen bei tiefen Temperaturen weniger durch die Eigenbewegungen der Atome und Molek\u00fcle \u201everwackeln\u201c und weil drittens die Mikroskopaufnahmen durch aufwendige Berechnungen erg\u00e4nzt werden, liefert Kryo-Elektronenmikroskopie Bilder mit atomarer Aufl\u00f6sung.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>R\u00e4tselhafte Filamente<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p>Schon 2016 hatten Mitglieder aus M\u00fcllers Arbeitsgruppe beobachtet, dass HDCR lange F\u00e4den (Filamente) bildet \u2013 das tun nur sehr wenige Enzyme. M\u00fcller berichtet: \u201eDass diese f\u00e4dige Struktur wichtig f\u00fcr das Funktionieren des Enzyms war, konnten wir schon erkennen, als wir stattdessen die HDCR von genetisch minimal ver\u00e4nderten Bakterien untersuchten; deren manipulierte HDCR, die keine Filamente bildete, wies folglich eine stark verringerte Enzym-Aktivit\u00e4t auf.\u201c<\/p>\n\n\n\n<p>Welche Rolle die Filamente im Einzelnen spielen, sollte allerdings erst danach mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie aufgekl\u00e4rt werden; zusammen mit Wissenschaftlern vom \u201eZentrum f\u00fcr synthetische Mikrobiologie\u201c der Philipps-Universit\u00e4t Marburg haben M\u00fcller und sein Team festgestellt, dass das R\u00fcckgrat der Filamente jeweils aus den beiden kleinen Untereinheiten der HDCR besteht, die Eisen und Schwefel enthalten. \u201eIn den F\u00e4den sind also Tausende von elektronen-leitenden Eisenatomen zusammengelagert; sie bilden damit eine Art Nanodraht\u201c, berichtet M\u00fcller.<\/p>\n\n\n\n<p>Die einzelnen \u201eMomentaufnahmen\u201c ihrer experimentellen Ergebnisse setzen sich f\u00fcr die Forschenden um M\u00fcller damit zu einem \u201eFilm\u201c zusammen, der in acetogenen Bakterien wie beispielsweise <em>T. kivui<\/em> und<em> A. woodii<\/em> abl\u00e4uft: \u201eDas erste Modul spaltet den Wasserstoff (H<sub>2<\/sub>), dabei werden Elektronen freigesetzt und in den Nanodraht gepumpt\u201c, beschreibt M\u00fcller. In dem Draht, der aus dem zweiten und dritten Modul besteht, w\u00fcrden die Elektronen dann zum n\u00e4chstgelegenen CO<sub>2<\/sub>-Molek\u00fcl transportiert und an dieses weitergegeben. Unter dem Einfluss des vierten Moduls entstehe daraus schlie\u00dflich Ameisens\u00e4ure (HCOOH).<\/p>\n\n\n\n<p>\u201eDie beiden Teilreaktionen, die an dem ersten und an dem vierten Modul ablaufen, werden also entkoppelt. Sie m\u00fcssen nicht mehr gleichzeitig stattfinden, weil die Elektronen in dem Nanodraht gewisserma\u00dfen zwischengespeichert werden\u201c, erl\u00e4utert M\u00fcller. Das entspreche gerade der Situation, die acetogene Bakterien in den Natur vorf\u00e4nden: Wenn sie auf eine Blase mit Wasserstoff tr\u00e4fen, k\u00f6nnten sie diesen \u201everdauen\u201c und die freigesetzten Elektronen so lange in dem Faden zwischenspeichern, bis ein CO<sub>2<\/sub>-Molek\u00fcl verf\u00fcgbar sei \u2013 genau das sei aber nicht st\u00e4ndig der Fall, sagt M\u00fcller; der Draht stelle also einen \u00f6kologischen Vorteil dar, weil die Bakterien mit seiner Hilfe ihre Stoffwechselprozesse (H<sub>2<\/sub>-Spaltung, Ameisens\u00e4urebildung) an die herrschenden Umweltbedingungen anpassen k\u00f6nnten.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>B\u00fcndel von Enzym-F\u00e4den<\/strong><\/h4>\n\n\n\n<p>Zusammen mit Zellstruktur-Biologen aus Basel habe sein Team au\u00dferdem herausgefunden, sagt M\u00fcller, dass Hunderte der Filamente umeinander gewunden sind und eine ringf\u00f6rmige Struktur bilden, die in der Membran der Bakterienzellen verankert ist. \u201eDie Bildung der Filamente und dar\u00fcber hinaus ihre B\u00fcndelung erh\u00f6hen ihre Konzentration in der Bakterienzelle ganz betr\u00e4chtlich\u201c, erl\u00e4utert er, \u201edamit sind die Bakterien noch besser an geringe oder schwankende Wasserstoffkonzentrationen in ihrer Umgebung angepasst.\u201c<\/p>\n\n\n\n<p>Weil sie inzwischen herausgefunden haben, wie die Bildung von Ameisens\u00e4ure durch die HDCR abl\u00e4uft (wenn auch noch nicht in allen Details), k\u00f6nnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Volker M\u00fcller daran gehen, diesen Prozess zu optimieren. \u201eZum Beispiel, indem wir die HDCR-Module austauschen, so dass sich die Bakterien nicht mehr von Wasserstoff, sondern zum Beispiel von Kohlenmonoxid ern\u00e4hren\u201c, sagt er. \u201eOder indem wir versuchen, das HDCR stabiler zu machen \u2013 weniger empfindlich gegen\u00fcber Sauerstoff. Oder indem wir einen synthetischen Nanodraht herstellen, mit dem wir Kohlendioxid aus der Atmosph\u00e4re einfangen k\u00f6nnen.\u201c Mit dem Bioreaktor, den sein (ehemaliger) Doktorand entwickelt hat, ist das, wie gesagt, noch nicht m\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"has-text-align-right\"><em>Stefanie Hense<\/em><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Alltagstaugliche Wasserstoffspeicherung und die Aussicht auf den Abbau von Kohlendioxid Diese Entdeckung war fast zu sch\u00f6n, um wahr zu sein: Mitglieder der Arbeitsgruppe von Volker M\u00fcller, Leiter der Abteilung Molekulare 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