PHOTOBIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTION PROSPECTS AND CHALLENGES 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller Pin-Ching Maness et al., 2009 6. Februar 2013 http:// www.welsch.com http:// www.scientificamerican.c om http://www.wdr5.de
Apr 06, 2015
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. Grundlagen
Fotosynthetische H2-Produktion - warum? Prognosen zeigen:
Energiebedarf steigt bis 2030 um ca. 50% und bis 2060 um ca. 100% (vgl. Shell-Studie und IEA)!
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1. Grundlagen
Fotosynthetische H2-Produktion - warum?
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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. Grundlagen
Fotosynthetische 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. Grundlagen
Fotosynthetische 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
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2. 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 a2
bei 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 a1
generierte 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