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Ein Forschungsteam der RUB hat mit Kollegen aus Lissabon eine halbkünstliche Elektrode hergestellt, die in Biosolarzellen Lichtenergie in andere Energieformen umwandeln könnte. Die Technik basiert auf dem Fotosynthese-Protein Photosystem I aus Cyanobakterien. Die Gruppe zeigte, dass sie ihr System mit einem Enzym koppeln konnten, das die umgewandelte Lichtenergie für die Wasserstoffproduktion nutzte. Die Ergebnisse sind im Oktober 2020 online vorab in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht worden.

Für die Arbeiten kooperierten Teams vom Zentrum für Elektrochemie und vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen sowie Kollegen der Universidade Nova de Lisboa.

Kurzschlussgefahr

Bereits in früheren Arbeiten hatten die Bochumer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den lichtsammelnden Proteinkomplex Photosystem I genutzt, um Elektroden für Biosolarzellen zu konzipieren. Sie trugen dazu eine Photosystem-I-Monoschicht auf eine Elektrode auf. In solchen Monoschichten sind die Photosysteme nicht übereinandergestapelt, sondern liegen nebeneinander in derselben Ebene. Photosystem I kommt aber üblicherweise als Trimer vor, es lagern sich also immer drei Photosysteme zusammen. Da sich die Trimere nicht dicht an dicht packen lassen, entstehen Löcher in der Monoschicht, wodurch es zu Kurzschlüssen kommen kann. Das beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit des Systems. Genau dieses Problem lösten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der vorliegenden Arbeit.

In dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus liegt Photosystem I hauptsächlich als Trimer vor. Durch eine neue Extraktionstechnik konnten die Forscher zusätzlich Monomere aus dem Organismus isolieren und erzeugten damit auf der Elektrode eine Photosystem-I-Monoschicht, in der die Monomere die Löcher zwischen den Trimeren füllten. Damit verminderten sie die Kurzschlusseffekte. Das System erzielte doppelt so hohe Stromdichten wie ein System, das nur aus Trimeren bestand.