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Wie Grünalgen komplexe Bestandteile eines Wasserstoff produzierenden Enzyms herstellen, haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum untersucht. Die Enzyme, auch Hydrogenasen genannt, sind für die biotechnologische Erzeugung des potenziellen Energieträgers interessant.

Bislang ist wenig erforscht, wie Organismen unter natürlichen Umständen ihren speziellen Hydrogenase-Typ bilden. Das Team um Dr. Anne Sawyer, Doktorandin Yu Bai, Privatdozentin Dr. Anja Hemschemeier und Prof. Dr. Thomas Happe von der Bochumer Arbeitsgruppe Photobiotechnologie fand mit neuen Methoden der synthetischen Biologie heraus, dass es eine spezielle Proteinmaschinerie in den Chloroplasten der Grünalgen braucht, um eine funktionstüchtige Hydrogenase herzustellen. Die Wissenschaftler berichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift „The Plant Journal“.

Komplexer Aufbau

Das Team arbeitete mit der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii. In verschiedenen Bereichen der Zelle besitzen diese Organismen eine bestimmte Proteinmaschinerie, die Enzyme zusammensetzt – etwa in den Fotosynthese treibenden Chloroplasten oder in der Zellflüssigkeit, dem Zytoplasma.

Das Enzym HYDA1 besitzt einen besonders komplex aufgebauten Bereich: den sogenannten Kofaktor, also den Ort im Enzym, an dem die eigentliche Wasserstoffproduktion stattfindet. Der Kofaktor besteht aus einem Cluster von vier Eisen- und vier Schwefelatomen; diese Konfiguration findet sich häufig in Enzymen. Ungewöhnlich ist jedoch, dass sich für die Wasserstoffkatalyse daran ein zweites Cluster aus zwei zusätzlichen Eisenatomen bindet.

Besondere Proteinmaschinerie erforderlich

Happe, Sawyer und ihre Kollegen wollten herausfinden, was es braucht, um den Kofaktor in der lebenden Zelle zu produzieren. Sie brachten Vorstufen der Hydrogenase in verschiedene Bereiche der Grünalgenzelle ein, nämlich in die Chlorplasten und in das Zytoplasma. Allein die Proteinmaschinerie in den Chloroplasten war in der Lage, daraus eine funktionierende Hydrogenase zusammenzubauen. Die Maschinerie im Zytoplasma konnte den komplexen Kofaktor hingegen nicht herstellen.

Bakterienenzym in der Grünalge

In weiteren Tests schleusten die Forscher den Bauplan für eine bakterielle Hydrogenase in das Genom der Grünalge ein. Chlamydomonas reinhardtii produzierte daraus ein funktionierendes Enzym, das effizient Wasserstoff herstellte.

„Diese Erkenntnisse sind für uns eine Grundlage, um Grünalgen biotechnologisch auf eine effizientere Wasserstoffproduktion zu trimmen“, sagt Happe. „Wir wissen jetzt, dass die Maschinerie, die die Enzyme in den Chloroplasten zusammenbaut, etwas Besonderes und nicht Ersetzbares ist.“