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Angetrieben durch Solarenergie bauen Pflanzen,
Algen und Blaualgen (Cyanobakterien) aus Kohlenstoffdioxid (CO2)
und Wasser einfache Kohlehydrate auf. Dieser Vorgang wird als
Photosynthese bezeichnet und stellt den ersten Schritt in der
Nahrungskette dar, von der letztendlich alle Lebewesen abhängen.
Hierzu müssen dem Wasser zwei Elementarteilchen, nämlich Protonen und
Elektronen, entnommen werden und es wird Sauerstoff (O2)
freigesetzt. Aus Sicht der photosynthetischen Organismen ist der
Sauerstoff ein reines Neben- oder Abfallprodukt. Dieses Abfallprodukt
der photosynthetischer Wasserspaltung hat jedoch zu dem Übergang von
der kohlenstoffdioxidreichen Atmosphäre, wie sie vor drei Milliarden
Jahren auf der Erde vorherrschte, zu der heutigen
kohlenstoffdioxidarmen und sauerstoffreichen Luft geführt, die Tieren
und Menschen das Atmen ermöglicht.
Seit langem versuchen Wissenschaftler zu verstehen,
wie es Pflanzen möglich ist, aus zwei Wassermolekülen vier Protonen
und vier Elektronen zu entnehmen und den molekularen Sauerstoff zu
bilden. Angetrieben wird dieser Prozess durch die Absorption von vier
Lichtteilchen (Photonen), die in der Natur dem Sonnenlicht entstammen
und in dem Experiment der Gruppe um Dau und Haumann in Form kurzer
Laserpulse zugeführt wurden. Der Ort der Wasserspaltung ist das
Sauerstoff bildende Photosystem, ein Komplex aus Proteinen und
Pigmenten sowie einer handvoll von Metallatomen. Interessanterweise
spielen im Photosystem - wie auch in vielen anderen Enzymen - die an
das Biomolekül gebundenen Metallatome eine besonders wichtige Rolle.
Ähnlich wie z.B. im Katalysator zur Umsetzung von Autoabgasen werden
in zahlreichen Enzymen die besonderen chemischen Eigenschaften von
Metallen genutzt. Bei der photosynthetischen Wasserspaltung sind es
vier Manganatome.
In allen photosynthetischen Organismen ist das
Sauerstoff bildende Photosystem im Wesentlichen gleich aufgebaut. Die
Absorption von Lichtteilchen (Photonen) durch das Blattgrün
(Chlorophyllmoleküle) löst Elektronenbewegungen zwischen Atomgruppen
aus. Nach der Absorption von vier Photonen wird schließlich an einem
Komplex aus den vier Manganatomen und Proteinen des Photosystems der
molekulare Sauerstoff gebildet. Eine Mikrosekunde (µs) ist der
millionste Teil einer Sekunde. Die Veränderungen in dem Mangankomplex
der Photosynthese, die nun unmittelbar verfolgt werden konnten, finden
in dem Zeitbereich von 10 bis 5000 µs nach Absorption eine
Lichteilchens auf. Unter anderen werden Elektronen aus den
Manganatomen entfernt und die Distanzen zwischen Mangan und seinem
Nachbaratomen verringert sich um etwa zehn Pikometer, wobei ein
Pikometer der Millionste Teile eines Millionstel Meters ist. Derartige
Prozesse können mit Röntgenstrahlung beobachtet werden, wie sie an
modernen Synchrotrons zur Verfügung steht.
In einem Synchrotron bewegen sich Elektronen oder
Positronen mit hoher Geschwindigkeit durch einen Ring von mehreren
hundert Metern Durchmesser, wobei intensive Röntgenstrahlung emittiert
wird. Ursprünglich von Physikern zur Entdeckung von Elementarteilchen
ersonnen, sind heute Synchrotrone ein unersetzliches Werkzeug in der
Erforschung biologischer Strukturen und Prozesse. Nach mehrjährigen
Vorversuchen am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg und
am Berliner Elektronen Synchrotron (BESSY) führte die Forschungsgruppe
die Schlüsselexperimente an einem der weltweit leistungsfähigsten
Synchrotronstrahlungszentren durch, dem ESRF (European Synchrotron
Radiation Facility) in Grenoble in den französischen Alpen. Hierzu
wurden in monatelanger Arbeit aus Spinatblättern mehrere Tausend
Photosystemproben präpariert und charakterisiert, bevor dann in Tag-
und Nachtschichten ein Team von vier Wissenschaftlern eine Woche lang
die Röntgenexperimente in Grenoble durchführen konnte.
Am europäischen Synchrotron in Grenoble wurde von
den Berliner Wissenschaftlern die Sauerstoffbildung der Photosysteme
mit einer Folge von Laserpulsen angetrieben. Gleichzeitig wurde die
Absorption der Röntgenstrahlung durch die Manganatom des Photosystems
detektiert. So konnte die Geschwindigkeiten der einzelnen Schritte im
Funktionszyklus präzise ermittelt werden. Überraschenderweise wurde
ein neuer Zwischenzustand gefunden, bei dem nicht wie erwartet ein
Elektron, sondern ein Proton dem Mangankomplex entzogen wird. Dieses
Ergebnis führt zu einem neuen Bild der Sauerstoffbildung. Im
klassischen Modell führt die Absorption von vier Lichteilchen zur
Ansammlung von vier positiven Ladungen. Protonen spielen in diesem
Bild keine zentrale Rolle. Zusammen mit zuvor erzielten Ergebnissen
der Forschergruppe zeigen die Resultate der zeitaufgelösten
Röntgenmessungen, dass dem Mangankomplex nicht nur Elektronen sondern
auch Protonen gezielt entzogen werden. Wohl organisierte
Protonenbewegungen ermöglichen also die Sauerstoffbildung.
Das Rätsel der photosynthetischen Wasserspaltung
ist noch nicht abschließend gelöst. Aber schon wird von
Wissenschaftlern über mögliche Technologien nachgedacht, die sich die
Prinzipien der Natur zu Nutze machen. Die Arbeitsgruppe um Holger Dau
und Michael Haumann beteiligt sich an einer gemeinsamen Initiative
neun deutscher Forschungsteams zum Thema "Grundlagen für einen
biotechnologischen und biomimetischen Ansatz der
Wasserstoffproduktion". Das Bundesministerium für Bildung und
Forschung wird die geplanten Arbeiten drei Jahre lang mit insgesamt
rund zwei Millionen Euro fördern.
Ziel ist die Bildung von Wasserstoff unter Nutzung
von Solarenergie. Angetrieben durch Licht können Mikroorganismen
nämlich nicht nur dem Wasser Elektronen and Protonen entnehmen. In
Enzymen, die als Hydrogenasen bezeichnet werden, können aus den im
Photosystem gebildeten Elektronen und Protonen auch
Wasserstoffmoleküle (H2) geformt werden. Wasserstoff wird in nicht all
zu ferner Zukunft Benzin und Diesel als Treibstoff in Kraftfahrzeugen
ersetzen. Die Gewinnung von "Bio-Wasserstoff" stellt somit eine
faszinierende Möglichkeit der Umwelt schonenden Wasserstoffproduktion
dar. Die zu bewältigenden wissenschaftlichen und technischen
Herausforderungen sind riesig und die Entwicklung eines technischen
Systems könnte Jahrzehnte erfordern. Die Enträtselung der
Wasserspaltung im Photosystem sowie der Wasserstoffbildung an den
Metallzentren der Hydrogenasen könnte ein wichtiger erster Schritt
sein.
Organisatorische Rahmen der beschriebenen Arbeiten:
Im Sonderforschungsbereich 498 wird die
Zusammenarbeit von 20 Berliner Arbeitsgruppen zum Thema der Kofaktoren
von Proteinen (etwa Protein gebundene Metallatome) von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft finanziell unterstützt. Die beschriebenen
Arbeiten zur Aufklärung der Wasserspaltung wurden im Rahmen dieses
Sonderforschungsbereichs durchgeführt, in dem neben der
photosynthetischen Wasserspaltung auch die Funktion von Hydrogenasen
ein Forschungsschwerpunkt ist. |
