PHOTOBIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTIONPROSPECTS AND CHALLENGES

2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller

Pin-Ching Maness et al., 2009

6. Februar 2013

http://www.welsch.com

http://www.scientificamerican.com http://www.wdr5.de

Inhalt

1. Grundlagen Fotosynthetische H2-Produktion - warum?

2. Mechanismus der H2-Produktion 2.1 bei nicht-fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen 2.2 bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen

3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen 3.1 FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen 3.2 NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien

4. Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze

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1. GrundlagenFotosynthetische H2-Produktion - warum?

Prognosen zeigen:Energiebedarf steigt bis 2030 um ca. 50% und bis 2060 um ca. 100% (vgl. Shell-Studie und IEA)!

http://www.fug-verlag.de

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1. GrundlagenFotosynthetische H2-Produktion - warum?

http://www.fug-verlag.de

Auch zur Produktion alternativer Treibstoffe!

H2 dominiert hierbei laut

Prognosen der IEA bzw. DWV (Deutscher

Wasserstoff- und Brennstoffzellenver

band)Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

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1. GrundlagenFotosynthetische H2-Produktion - warum?

→ möglicher Beitrag von aus erneuerbarem Strom erzeugten Kraftstoffen zur Deckung des

europäischen Kraftstoffbedarfs:

CGH2 = komprimierter gasförmiger Wasserstoff

LH2 = flüssiger Wasserstoff

Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

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1. GrundlagenFotosynthetische H2-Produktion - warum?

Wasserstoff wird in Form von LH2 die entscheidende Rolle als Universalkraftstoff der Zukunft spielen!

als regenerative Energiequellen stehen zur Verfügung: Solarthermische Kraftwerke Photovoltaik Windkraftanlagen on- und offshore Geothermie, Gezeitenkraftwerke, Wasserkraft

Alternative Ansätze zur direkten H2-Produktion mittels fotosynthetisch aktiver Mikroorganismen:

Quelle: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Quelle: Scinexx – Das Wissensmagazin

Grünalgen z.B. Caulerpa

taxifolia

Cyanobakterien

z.B. Anabaena

72. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion

2.1 bei nicht-fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen

H2 als entscheidender Metabolit bei einer Vielzahl fotosynthetisch und nicht-fotosynthetisch aktiver Mikroorganismen

Hydrogenasen konvertieren reversibel Protonen und Elektronen zu Wasserstoff

2H+ + 2e- ↔ H2

Nicht-fotosynthetisch aktive Mikroorganismen fermentieren Zucker → Übertragung überschüssiger Elektronen auf Wasserstoff zur Regeneration von NAD(P)+

→ H2 reduziert seinerseits NAD(P)+ zu NAD(P)H

Teuer beim scale-up, da fermentierbare Zucker benötigt werden (Glucose, Xylose, etc…)

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2.2 bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen

Grünalgen und Cyanobakterien produzieren H2 fotosynthetisch! Entscheidende Rollen nehmen hierbei die Fotosysteme PS1 und PS2 ein

2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion

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2.2 bei fotosynthetisch aktiven MikroorganismenLichtabsorbtion durch die Pigmente Chlorophyll a1

und a2bei λ= 430 bzw. 662 [nm]

Extraktion von e- aus H2O durch das oxidierte

Chlorophyll a2

Elektronentransport durch

membrangebundene Redoxsysteme

Reduktion des oxidierten Chlorophyll a1

Das von Chlorophyll a1generierte

Reduktionsmittel überträgt seine e- auf

Ferredoxin (Redox-Protein)

Ferredoxin stellt e- für die NADPH-Produktion

mittels FNR zur Verfügung

2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion

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2.2 bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen

Ferredoxin stellt e- für die NADPH-Produktion mittels FNR

zur Verfügung

NADPH und ATP benötigt zur Kohlenhydratsynthese im

Calvin-Benson-Zyklus

Bei Abwesenheit von CO2 und bei anaeroben Bedingungen erfolgt die Übertragung der e-

von Ferredoxin oder NADPH auf Protonen, katalysiert durch

Hydrogenasen

2H+ + 2e- ↔ H2

2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion

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3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen

3.1 FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen

Gene für FeFe-Hydrogenasen charakterisiert z.B. in Scenedesmus obliquus, Chlamydomonas reinhardtii, Chloroella fusca und Chlamydomonas moewusii

Gene kodieren für ein ca. 48 kDa großes Protein → Sequenzähnlichkeit ≈ 50%

Das monomere Protein beinhaltet eisenhaltiges katalytisches Zentrum → H-Cluster!

H-Cluster besteht aus einem

[4Fe-4S]-haltigen kubischen Molekül

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3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen

3.1 FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen

Anaerobe Konditionen induzieren die Transkription der beiden Strukturgene der FeFe-Hydrogenasen

Das Vorhandensein von O2 inaktiviert jedoch irreversibel das H-Cluster mit einer Halbwertszeit von wenigen Sekunden

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3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen

3.2 NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien

phylogenetisch nicht mit den FeFe-Hydrogenasen verwandt

weiter verbreitet als FeFe-Hydrogenasen → sowohl in den Reichen Archaea und Bacteria gefunden

Heterodimere oder komplexere Strukturen bekannt → NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen

NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen: Pentamer aus 5 Unterinheiten bestehend aus Hydrogenase und Diaphorase-Rest

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3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen

3.2 NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen: Pentamer

Katalytisches Zentrum an große Untereinheit HoxH gebunden → beinhaltet Fe- und Ni-Atome mit CN- und CO- Liganden sowie Schwefel aus Cystein-Resten des umgebenden Proteins

Kleine Untereinheit HoxY beinhaltet [4Fe-4S]-Cluster → entscheidend für Elektronentransfer zur HoxH-Einheit

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3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen

3.2 NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien HoxF, HoxU und HoxE formen den Diaphorase-Rest welcher den Elektronentransfer zwischen

NAD(P)H und dem Hydrogenase-Rest reguliert

Strukturgene im Gegensatz zur FeFe-Hydrogenase auch bei O2-Anwesenheit gebildet

O2 inhibiert jedoch die Wasserstoff-Produktion

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4. Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze

Limitierungen bei der H2-Produktion resultieren auf zellulärer Ebene aus:

Empfindlichkeit der Hydrogenasen gegenüber O2

Wechselwirkung des fotosynthetisch generierten Reduktionsmittels neben der Hydrogenase auch mit anderen Enzymen

Herunterregulierung der Fotosyntheseleistung durch Nichtverteilung des Protonengradienten entlang der Thylakoidmembran der Chloroplasten

Probleme bei der Realisierung einer kontinuierlichen H2-Produktion

Limitierung der katalyitischen Aktivität der Hydrogenasen

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4. Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze

Lösungsansätze: Computergestützte Simulationen der Sauerstoffverteilung im katalytischen

Zentrum

→ Erhöhung der katalytischen Lebensdauer der Hydrogenasen evtl. durch molekulares Engineering

→ Blockierung des Eintritts von O2 !

Mutagenese der Hydrogenase-Gene → Erzeugung von O2-Toleranz!

Screening nach bereits O2-toleranten Hydrogenasen

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4. Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze

Lösungsansätze:

Vermeidung des Elektronentransfers im Bereich des Fotosystems 1 → großes NAD(P)H zu ATP – Verhältnis welches zur H2-Produktion benötigt wird → z.B. C. reinhardtii Mutant erzeugt an der University of Queensland

produziert H2 effektiver

Chemische Kopplung des reduzierenden Rests des Fotosystems 1 mit einer Hydrogenase → Vermeidung kompetitiver Elektronentransferwege

Deletion von Genen die für die Komponenten kompetitiver Elektronentransferwege kodieren → z.B. Synechocystis sp. PCC 6803

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Weitere Quellen

Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. German Hydrogen and Fuel Cell Association, Woher kommt die Energie für die Wasserstofferzeugung - Status und Alternativen -, 3. Auflage Mai 2011

Pin-Ching Maness, Jianping Yu, Carrie Eckert and Maria L. Ghirardi, Photobiological Hydrogen Production Prospects and Challenges, Microbe, Vol. 4, Number 6, 2009

Ghirardi, M. L., A. Dubini, J. Yu, and P. C. Maness. 2009. Photobiological hydrogen-producing systems. Chem. Soc. Rev. 38: 52–61

Tamagnini, P., R. Axelsson, P. Lindberg, F. Oxelfelt, R. Wu¨ nschiers, and P. Lindblad. 2002. Hydrogenases and hydrogen metabolism of cyanobacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 66:1–20