Schritt für Schritt zum Wasserstoff

Neue Methode könnte bei der Entwicklung effektiverer Katalysatoren zur Produktion von Wasserstoff helfen

Mikroorganismen nutzen Wasserstoff schon lange als Energiequelle. Der Schlüssel dazu sind Enzyme, die Metalle wie Nickel oder Eisen in ihrem katalytischen Zentrum tragen. Forschende arbeiten weltweit daran, den genauen Ablauf der Reaktion aufzuklären. Ein Forschungsteam hat nun eine chemische Besonderheit des Wasserstoffs genutzt und so bisher unbekannte Zwischenschritte der Wasserstoffumwandlung sichtbar gemacht.

Als Ersatz für fossile Brennstoffe, Energieträger oder Katalysator in chemischen Prozessen – Wasserstoff gilt als guter Kandidat für eine nachhaltige Energiewirtschaft. Auf der Erde kommt das Element 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 (Fe), das an einen Guanylylpyridinol-Kofaktor gebunden ist.

Zwischenprodukte untersucht

Während Zwischenprodukte im katalytischen Zyklus von [NiFe]-Hydrogenasen und [FeFe]-Hydrogenasen bereits gut untersucht sind, waren die katalytischen Zwischenprodukte von [Fe]-Hydrogenasen nicht nachweisbar – bis jetzt. Forschende um Stefan Glöggler (Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und der Universitätsmedizin Göttingen, Lukas Kaltschnee (Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und der Universitätsmedizin Göttingen; aktuell an der TU Darmstadt), Christian Griesinger (Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften) und Seigo Shima (Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie) haben jetzt zusammen mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, der Universität Kiel und der FAccTs GmbH die Zwischenprodukte in der von [Fe]-Hydrogenasen katalysierten Reaktion erstmals beobachtet.  

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

Die Daten 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 Parawasserstoff-induzierte Polarisation nicht zuletzt vielversprechend, um sie auf lebende Zellen anzuwenden und den Wasserstoffmetabolismus in vivo zu erforschen. Die Ergebnisse könnten zukünftig dazu beitragen, (Bio-)Katalysatoren zur Wasserstoffumwandlung mit höherer Produktivität zu entwickeln.