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Alt 17.03.2010, 16:20   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Künstliche Photosynthese mit Frosch-Schaum - Biochemie und Molekularbiologie

Bei der Umwandlung von Kohlendioxid in energiereiche chemische Verbindungen hat die Photosynthese den Nachteil, dass dabei als Nebenprodukt eine ganze Pflanze entsteht. Bei einer künstlichen zellfreien Photosynthese dagegen bekäme man für das Licht eine einzige energiereiche Chemikalie wie Glucose, aus der dann direkt Biokraftstoffe oder dergleichen hergestellt werden könnten, und deswegen wird an solchen Systemen mit Hochdruck gearbeitet.

Ein Weg, das zu erreichen ist die Reproduktion der kompletten Reaktionskette vom Licht bis zur organischen Materie auf der Basis der natürlichen Enzyme, die an der Reaktion beteiligt sind. Dieser biomimetische Ansatz hat jetzt zum Erfolg geführt, US-Wissenschaftler haben in Nano Letters ein System vorgestellt, das über mehrere Stufen aus Licht und Kohlendioxid den Zucker Glucose produziert. Der eigentliche Trick ist, die Komponenten in einen Proteinschaum einzulagern, den die Forscher von einem Frosch geborgt haben.

In der Lichtreaktion der Photosynthese werden Photonen eingesammelt und ihre Energie zur Synthese von ATP und zur Gewinnung von Elektronen aus Wasser genutzt. Das so erhaltene energiereiche ATP und die Elektronen werden dann in den zweiten Schritt eingespeist, den Calvin-Zyklus. In dem wird dann Kohlendioxid mit einem phosphorylierten Zucker zur Reaktion gebracht und so das Gas mit Hilfe von ATP und den Elektronen in energiereiche organische Stoffe umgesetzt. Das ganze System ist weniger eine chemische Reaktionskette als vielmehr eine molekulare Fabrik.

Da alle diese Systeme zu den am besten erforschten Reaktionsketten der Biochemie gehören, kann man aus den Komponenten einfach ein zellfreies Photosynthesesystem zusammensetzen - theoretisch. Der Teufel liegt im Detail, denn damit die Reaktion möglichst effektiv abläuft, müssen mehrere teils widersprüchliche Bedingungen erfüllt sein. Zuerst einmal genug ADP, Phosphat und Zuckerzwischenstufen in Lösung sein, um eine regelmäßige Versorgung zu gewährleisten, die Konzentration darf aber auch nicht zu groß werden und die einzelnen Komponenten müssen nahe an einer Oberfläche sein, denn Kohlendioxid muss gut an die Reaktionszentren gelangen können – Licht natürlich auch.

Als Lösung bietet sich ein Schaum an - der enthält Flüssigkeitskanäle, in denen genug Enzyme und Reaktanden schwimmen können, während gleichzeitig immer eine Grenzfläche zu einem Gasraum in der Nähe ist. Es gibt allerdings ein Problem dabei, denn für Schäume benötigt man Detergenzien - und die stören unter anderem Membranen und ihre künstlichen Äquivalente. In diesem Fall kann es passieren, dass sich der Schaumbildner in die Wand der ATP-erzeugenden Vesikel einlagert und die Membran durchlässiger macht. In versuchen mit dem Detergens Tween-20 leidet dementsprechend die Effektivität der Reaktionskette erheblich.

In der Natur gibt es allerdings eine Reihe Schäume, die nicht auf der Basis seifenartiger kleiner Moleküle entstehen, sondern mit Hilfe von Proteinen, die wesentlich größer sind, stabilere Schäume ergeben und Vesikelmembranen nicht stören. Eines davon ist das Protein Ranaspumin-2, aus dem der Frosch Engystomops pustulosus seine schwimmenden Nester baut. Dieses Protein nutzten die Forscher, um ihr künstliche Photosynthesesystem aufzunehmen.

Die einzelnen Komponenten dieses Systems gibt es schon seit einiger Zeit - der ATP-generierende Apparat besteht aus Polymervesikeln, die ähnliche Eigenschaften haben wie biologische Zellmembranen, aber stabiler sind. In diese künstliche Membran sind zwei Proteine eingebaut. Einmal das Bakteriorhodopsin, an dem die eigentliche lichtabhängige Reaktion stattfindet: Das Enzym pumpt bei Beleuchtung Protonen in den Innenraum des Vesikels. Das zweite Protein nutzt die so entstandene höhere Konzentration, um wiederum ADP und Phosphat zu ATP umzusetzen.

Das wiederum dient zusammen mit Kohlendioxid und dem Zucker Ribulose als Substrat für die Ribulosebisphosphat-Carboxylase, dieser Schritt ist die eigentliche Kohlenstofffixierung. Hierbei entsteht über die Zwischenstufe 3-Phosphoglycerat der Zuckervorläufer Glyceraldehyd-3-phosphat, der wiederum in den dritten Teil des Reaktionswegen eingespeist wird, an dessen Ende der bekannte Zucker Glucose steht.



Abbildung: Schema der künstlichen Photosynthese von Wendell et al., Quelle: Wendell et al., Nano Letters 10.1021/nl100550k, 2010.

Die Resultate sind jedenfalls ermutigend für so ein System: Das Prinzip funktioniert, und am Ende der Kette entsteht tatsächlich der gewünschte Zucker. Die ATP-Synthese ist mit etwa 5 Protonen pro ATP halb so effizient wie in natürlichen Systemen, aber immerhin doppelt so hoch wie in schaumfreien Systemen. Das rechnen die Autoren hoch zu 116 Mikromol Glucose pro Liter und Stunde (wobei sich der Liter auf die bloße Flüssigkeit bezieht), das sind 21 Milligramm. Klingt nach wenig, ist aber eine ganze Menge. Wenn man das ganz naiv auf den Hektar umrechnet, was die Autoren tun, könnte man mit diesem System zehn mal so viel vom Biokraftstoff Dimethylfuran erzeugen wie mit normalen Pflanzen auf einem normalen Acker.

Die Autoren des Papers freuen sich schon auf die großtechnische Umsetzung ihres Verfahrens, aber ich bin da sehr skeptisch. Zuerst einmal wird der aufmerksame Beobachter festgestellt haben, dass in diesem Photosynthese-System etwas Entscheidendes fehlt. Es entsteht nämlich kein Sauerstoff, und das heißt, es werden auch keine Elektronen erzeugt, mit denen Kohlendioxid reduziert werden kann. Das Reduktionsmittel NADH wird bei dieser Reaktion verbraucht, während es bei der natürlichen Photosynthese konstant wieder regeneriert wird. Diese Komponente fehlt noch zur künstlichen Photosynthese.

Das Grundproblem an diesem Punkt ist aber ein ganz anderes: Wenn man so ein Wasseroxidations-System erstmal hat, dann kann man damit direkt Wasserstoff produzieren - wozu noch der aufwändige Umweg über den Calvin-Zyklus?

Denn hinter dem zugegebenermaßen eindrucksvollen System von Todd, Wendell und Montemagno steht ein großes ökonomisches Fragezeichen: Das Verfahren erfordert beträchtliche Mengen teurer Spezialchemikalien, die nicht ohne weiteres im Tonnenmaßstab zu bekommen sind. Ganz zu schweigen von den Membranproteinen für die ATPase-Vesikel. Prinzipiell können all diese Enzyme ohne weiteres rekombinant hergestellt werden, und das scaling-up des Systems auf, sagen wir, einen Hektar, ist vor allem eine Verfahrenstechnische Frage.

Trotzdem hängt letztendlich die Umsetzung eines solchen Systems vor allem an der Wirtschaftlichkeit. Für das Produkt allein wird sich der Aufwand definitiv nicht rechnen, und ob CO2-Zertifikate jemals so teuer werden, dass sich Kraftwerksbetreiber Tonnen eines High-Tech-Proteinschaumes in den Schornstein hängen, halte ich für fraglich. Ich halte es für wesentlich wahrscheinlicher, dass in den nächsten Jahren einfache Chemische Katalysatoren entwickelt werden, die vergleichbares leisten.




Quelle: Fischblog - Wissenschaft für alle

Geändert von Godwael (17.03.2010 um 17:52 Uhr)
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