An die Arbeit, Enzyme!

09.04.2013: Brennstoffzellen sind eine zukunftsträchtige Art der Stromerzeugung. Allerdings wird der benötigte Wasserstoff noch größtenteils aus Kohle, Öl und Erdgas hergestellt. Eine Gewinnung aus kostengünstiger Biomasse ist eine interessante Alternative, liefert bisher jedoch zu geringe Ausbeuten. Ein amerikanisch-mexikanisches Team stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun ein zellfreies Biosystem aus 13 Enzymen vor, das Wasserstoff aus Xylose, einem Hauptbestandteil von Pflanzen, mit einer Ausbeute von über 95 % produzieren kann.

Xylose, eine Pentose (Zuckermolekül aus fünf Kohlenstoffatomen), ist einer der Hauptbausteine von Lignocellulose-Biomasse – also Holz und verholzten Pflanzenteilen. Für die Wasserstoffgewinnung ist es ökonomisch nicht sinnvoll, Xylose von anderen Biomasse-Bestandteilen zu trennen. Es gibt Mikroorganismen, die Xylose und Glucose, den Baustein von Cellulose, in Wasserstoff umsetzen können. Allerdings nur in geringer Ausbeute.

Y.-H. Percival Zhang, Virginia Tech und seine Kollegen aus den USA und Mexiko greifen daher zu einem Trick: Sie bedienen sich zwar der entsprechenden Enzyme von Mikroorganismen, jedoch in einem zellfreien System. 13 Enzyme und verschiedene biologische Co-Faktoren wie NADPH stellten sie jetzt zu einer komplexen Kaskade zusammen, die in natürlichen metabolischen Systemen so aber nicht existieren. In einem Bioreaktor ließ sich so Wasserstoff aus Xylose mit über 95 % Ausbeute gewinnen.

Wermutstropfen dabei: Im ersten Reaktionsschritt wird Xylose zu Xylulose isomerisiert, die dann im zweiten Schritt durch Anknüpfen einer Phosphatgruppe aktiviert werden muss. Dazu wird ATP (Adenosintriphosphat), der „Energiespeicher“ von Zellen gebraucht, um chemische Energie in die Enzymkaskade zu „pumpen“. Leider ist ATP ein sehr teurer Rohstoff. Worauf es beim ATP ankommt, ist die Spaltung der energiereichen Bindungen zwischen den einzelnen Phosphatgruppen. Die Idee der Forscher: Sie wollten ATP durch kostengünstiges Polyphosphat ersetzen, das ebenfalls energiereiche Phosphatbindungen enthält. Dazu ist allerdings eine Xylulokinase, ein Enzym, das Phosphatgruppen an Xylulose knüpft, nötig, die mit Polyphosphat statt ATP klarkommt.

Polyphosphat kommt in Gesteinen vulkanischen Ursprungs und in Dampfquellen in den Tiefen der Ozeane vor. Urtümliche Mikroorganismen könnten dieses daher benutzt haben. Die Forscher isolierten das Gen für eine Xylulokinase aus Thermotoga maritima, einem thermophilen Mikroorganismus, der in solchen Umgebungen vorkommt, und stellten das Enzym gentechnisch her. Wie erhofft, kann das Enzym auch mit Polyphosphat arbeiten und die ATP-abhängige Xylulokinase in der Enzymkaskade erfolgreich ersetzen.

Bereits zuvor hatte das Team einen synthetischen enzymatischen Weg für die Gewinnung von Wasserstoff aus Cellulose entwickelt. Nun können die beiden Hauptbestandteile von Biomasse, Cellulose und Xylose, gemeinsam umgesetzt werden, ein neuer Ansatz für eine kostengünstige Produktion von Wasserstoff.

Originalveröffentlichung:
Y.-H. Percival Zhang, High-Yield Production of Dihydrogen from Xylose by Using a Synthetic Enzyme Cascade in a Cell-Free System, Angewandte Chemie, 2013