Photobiological Hydrogen Production Prospects and Challenges http://www.welsch.com http://www.scientificamerican.com http://www.wdr5.de Photobiological Hydrogen Production Prospects and Challenges Pin-Ching Maness et al., 2009 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller 6. Februar 2013

Inhalt 1. Grundlagen 2. Mechanismus der H2-Produktion 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

Fotosynthetische H2-Produktion - warum? 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)! Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity http://www.fug-verlag.de

Fotosynthetische H2-Produktion - warum? 1. Grundlagen Fotosynthetische H2-Produktion - warum? Auch zur Produktion alternativer Treibstoffe! H2 dominiert hierbei laut Prognosen der IEA bzw. DWV (Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband) Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity http://www.fug-verlag.de Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

Fotosynthetische H2-Produktion - warum? 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: Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity Grünalgen z.B. Caulerpa taxifolia Cyanobakterien z.B. Anabaena Quelle: Scinexx – Das Wissensmagazin Quelle: Bundesministerium für Bildung und Forschung

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…) Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion 2.2 bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen Grünalgen und Cyanobakterien produzieren H2 fotosynthetisch! Entscheidende Rollen nehmen hierbei die Fotosysteme PS1 und PS2 ein Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion 2.2 bei fotosynthetisch aktiven 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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

2. Mechanismen der mikrobiellen H2-Produktion 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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

4. Limitierungen auf zellulärer Ebene und 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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

4. Limitierungen auf zellulärer Ebene und 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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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 Abbreviation is MSC-HCDC In order to achieve high titer and productivity

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