Forschende der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Potsdam haben einen innovativen Weg gefunden, die nachhaltige Produktion von Wasserstoff zu vereinfachen und effizienter zu gestalten. Natürliche Wasserstoff-erzeugende Enzyme, sogenannte Hydrogenasen, sind zwar hochwirksam, aber aufgrund ihrer Größe und extremen Sauerstoffempfindlichkeit bislang schwer industriell nutzbar. Das Team hat nun das katalytische Zentrum der [FeFe]-Hydrogenase – ein aus Eisen-Atomen aufgebauter Co-Faktor – in das kleine Elektronenüberträger-Protein Ferredoxin übertragen1.
Hintergrund: Herausforderungen bei der Wasserstoffproduktion
Wasserstoff gilt als sauberer Energieträger der Zukunft, doch die nachhaltige Erzeugung ist technisch anspruchsvoll1. Natürliche Hydrogenasen bestehen aus etwa 600 Aminosäuren, sind komplex aufgebaut und reagieren empfindlich auf Sauerstoff1. Sie benötigen zudem hochenergetische Elektronen, die umweltfreundlich bereitgestellt werden müssen. Der eisenhaltige Co-Faktor der [FeFe]-Hydrogenase funktioniert ähnlich wie ein Platin-Katalysator, ist aber als isoliertes Molekül inaktiv und benötigt eine passende Proteinumgebung.
Vereinfachung durch Biohybrid
Um die Integration in industrielle Prozesse zu erleichtern, haben die Forschenden das katalytische Zentrum der Hydrogenase in das deutlich kleinere Ferredoxin eingebaut. Ferredoxin ist ein eisenhaltiges Protein, das in allen lebenden Organismen als Elektronenüberträger dient und in Mikroalgen direkt Elektronen aus der lichtgetriebenen Fotosynthese erhält. Die zentrale Frage der Studie war, ob Ferredoxin selbst Wasserstoff produzieren kann, wenn es mit dem Hydrogenase-Co-Faktor kombiniert wird.
Ergebnisse: Effiziente Wasserstoffproduktion im künstlichen System
Die Forschenden konnten Ferredoxine identifizieren, die in Kombination mit dem Hydrogenase-Co-Faktor tatsächlich Wasserstoff erzeugen. Allerdings war die Zusammenarbeit nur mit bestimmten Ferredoxinen möglich, was aufwendige biochemische Untersuchungen erforderte1. Die Aktivität des so entstandenen Biohybriden überraschte das Team: Das Ferredoxin-Protein bietet offenbar eine chemisch günstige Umgebung für den Katalysator, sodass effiziente Wasserstoffproduktion möglich ist.
Bedeutung und Ausblick
Das neue künstliche Metalloenzym kann weiterhin Elektronen aus lichtgetriebenen biologischen Systemen aufnehmen und Wasserstoff erzeugen. Damit ist eine wichtige Machbarkeitsstudie gelungen, die zeigt, dass sich natürliche lichtgetriebene Hydrogenasen mit weniger Komponenten und kleineren Proteinstrukturen nachahmen lassen1. Dies könnte die Entwicklung effizienter, robuster und industriell einsetzbarer Biokatalysatoren für die grüne Wasserstoffproduktion entscheidend voranbringen.
Originalpublikation:
Yiting She, Vera Engelbrecht et al.: Hydrogen Producing Catalysts Based on Ferredoxin Scaffolds, Advanced Science, 2025, DOI: 10.1002/advs.202501897, https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501897
