Diese Knopf besteht aus Nickelschaum. An seiner Oberfläche sind Enzyme befestigt.
Anna Ngo vermehrt genetisch veränderte Bakterien, um ihnen später die Enzyme zu entnehmen, die sie braucht.
Ramineh Rad bestückt eine elektrokatalytische Zelle.
Katalyse
Elektronenklau für einen guten Zweck
Ramineh Rad und Anna Ngo vereinen das Beste aus Elektro- und Biokatalyse. So wollen sie nachhaltig und preisgünstig an begehrte Chemikalien kommen.
Ein unscheinbarer grauer Knopf in einem transparenten Tütchen ist der Ort, an dem alles geschieht, was zu einer nachhaltigeren und preisgünstigeren Erzeugung von Wertstoffen für die chemische Industrie führen soll. Der Knopf besteht aus Nickelschaum, und auf seiner Oberfläche hat Anna Ngo bestimmte Enzyme befestigt. Sie stammen aus genetisch veränderten E. coli-Bakterien, die Anna Ngo im Labor vermehrt. „Die Enzyme kann ich gezielt aus den Zellen extrahieren“, erläutert die Biochemikerin, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dirk Tischler an der Ruhr-Universität Bochum als Postdoktorandin arbeitet. Auf der chemisch vorbehandelten Oberfläche des Nickelschaums haften sie dann von selbst an.
Der so präparierte Knopf wird in eine elektrokatalytische Zelle eingebaut und dient darin als Anode. „Wir entwickeln eine kombinierte Bio-Elektrokatalyse als modulare Kaskade zur Kopplung elektrochemischer Prozesse mit biokatalytischen Reaktionen“, erklärt Ramineh Rad als Doktorandin aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel in der Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität. Dabei konzentrieren sich die beiden Forscherinnen auf die Anode – die Kathode bleibt zunächst außen vor. Die Elektrokatalytische Zelle wird mit einer Pufferlösung gefüllt. Je nachdem, welche Enzyme sich auf dem Nickelschaum befinden und welchen Ausgangsstoff man hinzufügt, laufen an der Anode dann verschiedene Reaktionen gleichzeitig ab.
Kaskade in drei Schritten
„Wir fangen in unserer Arbeit mit dem letzten von drei möglichen Schritten an zu testen“, sagt Anna Ngo. Das Enzym auf der Anode heißt in diesem Fall Format-Dehydrogenase. Fügt man Format hinzu, klaut sich das Enzym davon Elektronen. Es bleibt CO2 übrig. Als Cosubstrat benötigt das Enzym NAD+, das die geklauten Elektronen aufnimmt und so zu NADH wird. An diesem Punkt kommt die Elektrokatalyse ins Spiel: Setzt man die Anode unter Spannung, regeneriert sich das Cosubstrat und steht für erneute Reaktionen wieder zur Verfügung.
Anna Ngo (links) und Ramineh Rad arbeiten gemeinsam an dem Projekt an der Grenze zwischen Chemie und Biologie.
Richtig interessant wird das System, wenn zwei oder drei Enzyme an der Anode aktiv sind. „Unsere geplante Kaskade sieht so aus“, erklärt Anna Ngo, „dass wir auch die beiden Enzyme Alkohol-Dehydrogenase und Formaldehyd-Dehydrogenase auf der Anode befestigen. Wenn wir dann Methanol hinzugeben – einen billigen Abfallstoff der Industrie – entsteht daraus Formaldehyd. Es ist ein Ausgangsstoff für bestimmte Kunststoffe. Nebenher wird aus NAD+ durch Elektronenübertragung NADH, das durch die Elektrokatalyse regeneriert wird. Im nächsten Schritt wird aus Formaldehyd durch das entsprechende Enzym Format. Daraus kann man zum Beispiel Aromen herstellen.“ Je nachdem, welche Enzyme man nutzt, lässt sich bestimmen, welches Produkt man erhält.
Teure Cofaktoren herstellen
Und auch an den Cofaktoren beziehungsweise Cosubstraten haben die Forscherinnen ein großes Interesse. Denn während NAD+ mit um die 20 US-Dollar pro Gramm schon recht teuer ist, ist NADH rund das Doppelte wert. „Wenn man den Strom abschaltet, kann man den teureren Cofaktor erzeugen und entnehmen“, erläutert Ramineh Rad.
In einem weiteren Arbeitsschritt wollen die Forscherinnen die Enzyme so beeinflussen, dass sie verschiedene Cosubstrate akzeptieren können. Neben NADH käme dann auch NADP+ infrage – mit rund 49 US-Dollar pro Gramm noch teurer. Nach der Enzymreaktion entsteht daraus allerdings NADPH, für das immerhin rund 275 US-Dollar pro Gramm verlangt werden.
In solch einer Zelle laufen die Reaktionen ab.
Alle diese Reaktionsschritte lassen sich auch mittels Elektrochemie allein bewerkstelligen. Aber: Dafür sind umweltschädliche Stoffe und energieintensive Temperaturen nötig. Das spart man sich dank der biologischen Komponenten. „Um sie stabil ans Arbeiten zu bringen, haben wir Temperatur, pH-Wert, elektrische Spannung und andere Rahmenbedingungen für sie optimiert“, sagt Anna Ngo.
„Unsere Enzymkaskade erlaubt es, auf nachhaltige Weise aus Abfall wertvolle Stoffe zu gewinnen“, sagt Ramineh Rad. „Und dabei ist sie modular betreibbar, also flexibel.“ Da sich die Cofaktoren immer wieder regenerieren, können die Reaktionen über lange Zeit stabil ablaufen. „Wir haben unseren Aufbau schon über Nacht betrieben“, erzählt Anna Ngo. „Dabei sinkt die Effektivität mit der Zeit ein wenig ab, aber das System funktioniert stabil. Befüllt man die Zelle neu mit Puffer, Cofaktoren und Ausgangsstoffen, kann man dieselbe Anode wiederverwenden. „Zwei Zyklen haben wir schon erfolgreich getestet, wir planen mit bis zu zehn Zyklen“, so Ramineh Rad.
