Genaue Einblicke in die Wasserstoffumwandlung

Manche Mikroorganismen nutzen Wasserstoff als Energiequelle. Der Schlüssel dazu sind Hydrogenasen, die Metalle in ihrem katalytischen Zentrum tragen. Um solche Biokatalysatoren in Zukunft für die Wasserstoffumwandlung nutzen zu können, arbeiten Forscher weltweit daran, den Ablauf des Katalyseprozesses aufzuklären. Ein multidisziplinäres Forschungsteam nutzte jetzt eine Besonderheit des Wasserstoffs, um die Signale der Magnetresonanzspektroskopie zu verstärken. So gelang es, bisher unbekannte Zwischenschritte der Wasserstoffumwandlung sichtbar zu machen.

Auf der Erde kommt Wasserstoff vor allem in gebundener Form vor, in Wasser, als Wasserstoffgas oder in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl. Um Wasserstoff in reiner Form zu gewinnen, muss er mithilfe von Energie aus der chemischen Verbindung abgespalten werden. Das derzeit am weitesten verbreitete Verfahren zur Wasserstoffherstellung ist die Dampfreformierung von Erdgas. Dabei entsteht jedoch auch klimaschädliches Kohlendioxid. Bei der katalytischen Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser wiederum werden bisher meist Elektroden aus dem Edelmetall Platin eingesetzt. Das macht die Wasserstoffproduktion mittels Katalyse vergleichsweise teuer.

Viele Mikroorganismen haben diesen Prozessen etwas voraus. Um zur Energiegewinnung Wasserstoff abzuspalten, nutzen sie drei verschiedene Typen von Hydrogenasen, die ohne Edelmetalle funktionieren und kein Kohlendioxid freisetzen: [NiFe]-Hydrogenasen aus Archaeen und Bakterien, [FeFe]-Hydrogenasen aus Bakterien, manchen Algen und manchen anaeroben Archaeen sowie [Fe]-Hydrogenasen, die nur in Archaeen vorkommen. Letztere spielen eine Schlüsselrolle in der Methanogenese, bei der Kohlendioxid zu Methan reduziert wird. Die homodimere [Fe]-Hydrogenase enthält pro Untereinheit ein redox-inaktives Eisen, das an einen Guanylylpyridinol-Kofaktor gebunden ist.

Während Zwischenprodukte im katalytischen Zyklus von [NiFe]-Hydrogenasen und [FeFe]-Hydrogenasen bereits gut untersucht sind, waren die katalytischen Zwischenprodukte von [Fe]-Hydrogenasen nicht nachweisbar. Dem Team gelang es jetzt, die Zwischenprodukte in der von [Fe]-Hydrogenasen katalysierten Reaktion erstmals beobachtet.

Dabei machten sich die Forscher zunutze, dass Wasserstoff abhängig von seinem Kernspin als Parawasserstoff und Orthowasserstoff vorkommt. Sie zeigten, dass es bei der Magnetresonanz-Spektroskopie zu einer Signalverstärkung kommt, wenn die [Fe]-Hydrogenase mit Parawasserstoff reagiert. Diese Parawasserstoff-induzierte Polarisation PHIP ermöglichte es, die Zwischenprodukte der Reaktion zu identifizieren und sichtbar zu machen, wie die [Fe]-Hydrogenase den Wasserstoff während der Katalyse bindet.

Die Daten der Wissenschaftler weisen darauf hin, dass während der Katalyse ein Hydrid am Eisenzentrum gebildet wird. Die neue Methode ermöglichte es auch, die Bindungskinetik zu untersuchen. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit ist die PHIP nicht zuletzt vielversprechend, um sie auf lebende Zellen anzuwenden und den Wasserstoffmetabolismus in vivo zu erforschen. Die Ergebnisse könnten zukünftig dazu beitragen, Biokatalysatoren zur Wasserstoffumwandlung mit höherer Produktivität zu entwickeln.

MPI KoFo / RK