Zukünftige Energiequelle: Wissenschaftler bauen winzige mikrobielle Fabriken, die Wasserstoff durch Photosynthese herstellen.

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Wissenschaftler haben winzige mikrobielle Fabriken auf Tröpfchenbasis gebaut, die Wasserstoff anstelle von Sauerstoff produzieren, wenn sie dem Tageslicht in der Luft ausgesetzt sind.

Die Ergebnisse des internationalen Forschungsteams, das an der Universität von Bristol und am Harbin Institute of Technology in China tätig ist, werden heute (25. November 2020) in Nature Communications veröffentlicht.

Normalerweise fixieren Algenzellen Kohlendioxid und produzieren Sauerstoff durch Photosynthese. In der Studie wurden mit lebenden Algenzellen gepackte zuckerhaltige Tröpfchen verwendet, um durch Photosynthese Wasserstoff statt Sauerstoff zu erzeugen.

Wasserstoff ist potenziell ein klimaneutraler Brennstoff, der als zukünftige Energiequelle viele Einsatzmöglichkeiten bietet. Ein großer Nachteil ist, dass die Herstellung von Wasserstoff mit einem hohen Energieaufwand verbunden ist, so dass nach grünen Alternativen gesucht wird und diese Entdeckung einen wichtigen Schritt nach vorn bedeuten könnte.

Das Team, bestehend aus Professor Stephen Mann und Dr. Mei Li von der Bristol’s School of Chemistry zusammen mit Professor Xin Huang und Kollegen vom Harbin Institute of Technology in China, fing etwa zehntausend Algenzellen in jedem Tröpfchen ein, die dann durch osmotische Kompression zusammengepresst wurden. Indem die Zellen tief im Inneren der Tröpfchen vergraben wurden, sank der Sauerstoffgehalt auf ein Niveau, das spezielle Enzyme, Hydrogenasen genannt, einschaltete, die den normalen Photosyntheseweg zur Wasserstoffproduktion kaperten. Auf diese Weise konnten etwa eine Viertelmillion mikrobieller Fabriken, die typischerweise nur einen Zehntel Millimeter groß waren, in einem Milliliter Wasser präpariert werden.

Um die Entwicklung des Wasserstoffs zu beschleunigen, beschichtete das Team die lebenden Mikroreaktoren mit einer dünnen Hülle aus Bakterien, die in der Lage waren, nach Sauerstoff zu suchen und so die Anzahl der Algenzellen zu erhöhen, die auf die Hydrogenase-Aktivität ausgerichtet sind.

Obwohl sich die Arbeit noch in einem frühen Stadium befindet, stellt sie einen Schritt in Richtung einer photobiologischen Entwicklung grüner Energie unter natürlichen aeroben Bedingungen dar.

Professor Stephen Mann, Co-Direktor des Max-Planck-Zentrums für Minimalbiologie in Bristol, sagte: “Die Verwendung einfacher Tröpfchen als Vektoren zur Steuerung der Organisation von Algenzellen und der Photosynthese in synthetischen Mikroräumen bietet einen potenziell umweltfreundlichen Ansatz für die Wasserstoffproduktion, den wir hoffentlich in künftigen Arbeiten entwickeln werden.

Professor Xin Huang vom Harbin Institute of Technology fügte hinzu: “Unsere Methodik ist einfach und sollte ohne Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit der lebenden Zellen skalierbar sein. Sie scheint auch flexibel zu sein; zum Beispiel haben wir vor kurzem eine große Anzahl von Hefezellen in den Tröpfchen eingefangen und die mikrobiellen Reaktoren für die Ethanolproduktion verwendet”.

Referenz: “Photosynthetische Wasserstoffproduktion durch tröpfchenbasierte mikrobielle Mikroreaktoren unter aeroben Bedingungen” von Zhijun Xu, Shengliang Wang, Chunyu Zhao, Shangsong Li, Xiaoman Liu, Lei Wang, Mei Li, Xin Huang und Stephen Mann, 25. November 2020, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-020-19823-5
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