28.11.2019 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Biologische Enzyme als Quelle für Wasserstoffkraftstoff

Forschung an der University of Illinois und der University of California, Davis hat Chemiker einen Schritt vorangebracht, um die effizientesten Maschinen der Natur zur Erzeugung von Wasserstoffgas nachzubauen. Diese neue Entwicklung kann dazu beitragen, den Weg für die Wasserstoffkraftstoffindustrie frei zu machen, um eine größere Rolle im globalen Vorstoß für umweltfreundlichere Energiequellen zu übernehmen.

Derzeit wird Wasserstoffgas in einem sehr komplexen industriellen Prozess erzeugt, der seine Attraktivität für den Markt für grüne Kraftstoffe begrenzt, sagten die Forscher. Als Reaktion darauf suchen die Wissenschaftler nach biologisch synthetisiertem Wasserstoff, der weitaus effizienter ist als der derzeitige vom Menschen hergestellte Prozess, sagte Chemieprofessor und Studienko-Autor Thomas Rauchfuss.

Biologische Enzyme, die sogenannten Hydrogenasen, sind die Maschinen der Natur zur Herstellung und Verbrennung von Wasserstoffgas. Diese Enzyme gibt es in zwei Varianten, Eisen-Eisen und Nickel-Eisen - benannt nach den Elementen, die für die Steuerung der chemischen Reaktionen verantwortlich sind. Die neue Studie konzentriert sich auf die Eisen-Eisen-Sorte, weil sie die Arbeit schneller erledigt, sagten die Forscher.

Das Team kam in die Studie mit einem allgemeinen Verständnis der chemischen Zusammensetzung der aktiven Stellen innerhalb des Enzyms. Sie gingen davon aus, dass die Standorte aus 10 Teilen zusammengesetzt wurden: vier Kohlenmonoxidmolekülen, zwei Cyanidionen, zwei Eisenionen und zwei Gruppen einer schwefelhaltigen Aminosäure namens Cystein.

Das Team entdeckte, dass es stattdessen wahrscheinlicher war, dass der Motor des Enzyms aus zwei identischen Gruppen mit fünf Chemikalien bestand: zwei Kohlenmonoxidmolekülen, einem Cyanidion, einem Eisenion und einer Cysteingruppe. Die Gruppen bilden eine fest verbundene Einheit, und die beiden Einheiten ergeben zusammengenommen insgesamt 10 Teile für den Motor.

Aber die Laboranalyse des laborsynthesierten Enzyms ergab eine endgültige Überraschung, sagte Rauchfuss. "Unser Rezept ist unvollständig. Wir wissen jetzt, dass 11 Bits erforderlich sind, um die aktive Site-Maschine zu machen, nicht 10, und wir sind auf der Suche nach diesem einen letzten Bit."

Die Teammitglieder sagen, dass sie sich nicht sicher sind, zu welchen Anwendungen dieses neue Verständnis des Eisen-Eisen-Hydrogenase-Enzyms führen wird, aber die Forschung könnte einen Baukasten liefern, der für andere Katalysatorentwicklungsprojekte lehrreich sein wird.

"Der Take-away aus dieser Studie ist, dass es eine Sache ist, sich vorzustellen, das reale Enzym zu verwenden, um Wasserstoffgas zu produzieren, aber es ist viel mächtiger, seine Zusammensetzung gut genug zu verstehen, um es für die Verwendung im Labor zu reproduzieren", sagte Rauchfuss.

Forscher der Oregon Health and Science University trugen ebenfalls zu dieser Studie bei.

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