Durchbruch: Katalysierung einer kohlenstofffreien Welt durch die Gewinnung von Energie aus lebenden Zellen.

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Wissenschaftlern der Universität Nagoya ist dank eines vielseitigen Katalysators ein Durchbruch bei der Umwandlung energiearmer Metaboliten in eine biologisch erneuerbare Ressource gelungen.

Die drohende Umweltkrise macht einen dringenden Übergang zu einer grünen Wirtschaft erforderlich. Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität Nagoya, Japan, unter der Leitung von Professor Susumu Saito hat kürzlich einen interessanten Weg gefunden, dies zu erreichen – durch die Nutzung eines wichtigen Stoffwechselweges in lebenden Zellen. Ihr Ziel war es, die energiearmen Stoffwechselprodukte in biologisch erneuerbare Produkte umzuwandeln, die unsere Welt auf nachhaltige Weise mit Energie versorgen können.

In den meisten Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien ist ein Weg, der als “Krebszyklus” bezeichnet wird, dafür verantwortlich, Brennstoff für die Zellen bereitzustellen, damit diese ihre Funktionen erfüllen können. Dieser Zyklus, der in den Mitochondrien abläuft, führt letztlich zur Bildung sowohl energiereicher Verbindungen wie NADH und FADH2 (die dem Organismus als Energiequelle dienen) als auch energiearmer Metaboliten wie C4-, C5- und C6-Polycarbonsäuren (PCAs). Vor kurzem wurde die Idee untersucht, hoch funktionalisierte PCAs in biologisch erneuerbare Moleküle umzuwandeln, indem die Kohlenstoff-Wasserstoff-(C-H)-Bindungen, die bei ihrer Entstehung verloren gingen, wiederhergestellt werden. Dazu müssten diese Biomoleküle Reaktionen durchlaufen, die als “Dehydratisierung” und “Reduktion” bezeichnet werden, d.h. die Umkehrung des Krebszyklus – ein komplizierter Prozess.

In ihrer neuen Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde, stellten sich Prof. Saito und sein Team der Herausforderung und suchten nach einem künstlichen “Katalysator”, einem Molekül, das diese Modifikation erleichtern könnte. Sie konzentrierten sich dabei auf einen leistungsstarken, vielseitigen Vorkatalysator namens “Phosphin-Bipyridin-Phosphin (PNNP)-Iridium (Ir)-Bipyridyl-Komplex”. Prof. Saito sagt: “Ein Katalysator mit einem einzigen aktiven Metall wie der (PNNP)Ir-Katalysator kann die selektive Hydrierung und Dehydratisierung von hoch funktionalisierten (hoch oxidierten und sauerstoffhaltigen) Biomasse-Einsatzmaterialien wie Metaboliten des Krebszyklus erleichtern.

Als die Wissenschaftler die Verwendung dieses Vorkatalysators an C4-, C5- und C6-Polycarbonsäuren und anderen mitochondrienrelevanten Metaboliten testeten, stellten sie fest, dass die C-H-Bindungen über Hydrierungs- und Dehydratisierungsreaktionen effektiv in die Metabolite eingebaut wurden – eine Leistung, die sonst nur sehr schwer zu erreichen ist. Die Wiederherstellung der C-H-Bindungen bedeutet, dass energiereiche organische Verbindungen aus energiearmen Materialien, die in der Natur reichlich vorhanden sind, erzeugt werden können. Darüber hinaus ergaben die Reaktionen Verbindungen, die als “Diole” und “Triole” bezeichnet werden, die als Feuchthaltemittel und beim Bau von Kunststoffen und anderen Polymeren nützlich sind. Das einzige “Abfallprodukt” bei dieser Reaktion ist Wasser, das uns eine saubere Energiequelle liefert. Nicht nur das, diese komplexen Prozesse könnten in einem “Eintopfverfahren” ablaufen, was diesen Prozess effizient macht.

Prof. Saito und sein Team sind optimistisch, dass ihre Forschung wichtige Konsequenzen für eine Zukunft haben wird, die sich auf erneuerbare Energien konzentriert. Prof. Saito sagt: “Verschwenderische Kohlenstoff-Rohstoffe wie Sägemehl und verfaulte Lebensmittel enthalten ein Gewölbe aus verschiedenen Carbonsäuren und ihren potenziellen Derivaten. Der molekulare (PNNP)Ir-Katalysator kann zur Herstellung von Nullemissionsmaterialien verwendet werden. Viele Massenkunststoffe und Polymermaterialien könnten mit Hilfe der aus dem Hydrierungsprozess gewonnenen Diole und Triole aus Abfallstoffen aus Biomasse hergestellt werden.

Mit diesen Erkenntnissen ist eine grünere, kohlenstoffneutralere Gesellschaft sicherlich in Sicht.

Referenz: “Reaktion von H2 mit Mitochondrien-relevanten Metaboliten unter Verwendung eines multifunktionalen molekularen Katalysators” von Shota Yoshioka, Sota Nimura, Masayuki Naruto und Susumu Saito, 23. Oktober 2020, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abc0274.

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