Photobiological Hydrogen Production Prospects and Challenges

1. http://www.scientificamerican.com http://www.welsch.com http://www.wdr5.de Photobiological Hydrogen ProductionProspectsand Challenges Pin-ChingManess et al., 2009 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller 6. Februar 2013

2. 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

3. 1. Grundlagen Fotosynthetische H2-Produktion - warum? Prognosenzeigen: Energiebedarfsteigtbis 2030 um ca. 50% und bis 2060 um ca. 100% (vgl. Shell-Studie und IEA)! http://www.fug-verlag.de

4. 1. Grundlagen Fotosynthetische H2-Produktion - warum? Auch zur Produktion alternativer Treibstoffe! H2 dominiert hierbei laut Prognosen der IEA bzw. DWV (Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband) http://www.fug-verlag.de Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

5. 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.

6. 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: Grünalgen z.B. Caulerpataxifolia Cyanobakterien z.B. Anabaena Quelle: Scinexx – Das Wissensmagazin Quelle: Bundesministerium für Bildung und Forschung

7. 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…)

8. 2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion 2.2 bei fotosynthetischaktiven Mikroorganismen • Grünalgen und Cyanobakterien produzieren H2 fotosynthetisch! • Entscheidende Rollen nehmen hierbei die Fotosysteme PS1 und PS2 ein

9. 2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion 2.2 bei fotosynthetischaktiven Mikroorganismen Lichtabsorbtion 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

10. 2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion 2.2 bei fotosynthetischaktiven 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

11. 3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen 3.1 FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen • Gene für FeFe-Hydrogenasen charakterisiert z.B. in Scenedesmusobliquus, Chlamydomonasreinhardtii, ChloroellafuscaundChlamydomonasmoewusii • 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

12. 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

13. 3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen 3.2NiFe-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

14. 3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen 3.2NiFe-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

15. 3. Schlüsselenzyme: Hydrogenasen 3.2NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien • HoxF, HoxU und HoxEformen 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

16. 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

17. 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

18. 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. reinhardtiiMutant erzeugt an der University ofQueensland 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. Synechocystissp. PCC 6803

19. 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