Alleskönner Alge

Prof. Happe sucht neue Wege zur Energiegewinnung

Zehnmal schneller als Schilfgras

Einige Algen können mittels eines Enzyms, der sog. Hydrogenase, Wasserstoff produzieren. Die dafür nötige Energie gewinnen sie durch Photosynthese. Das Enzym ist aber extrem sauerstoffempfindlich und wird daher nur unter anaeroben Bedingungen gebildet. Um diesen Sauerstoffmangelzustand mit möglichst wenig Aufwand zu erreichen, nutzen die Forscher einen Trick: Sie füttern die Algen mit zu wenig Schwefel, wodurch diese ihren Stoffwechsel so verändern, dass sie mehr Sauerstoff atmen als sie durch die Photosynthese produzieren. In einem geschlossenen System – einem Tank oder Plastikschlauch – stellen sie so den sauerstofffreien Zustand von allein her. „Wir können die Algen unter normalen Bedingungen anzüchten und ihnen nur genau so viel Schwefel geben, dass er nach ein bis zwei Tagen aufgebraucht ist“, erläutert Prof. Happe. „Nach einem weiteren Tag fangen die Algen an, Wasserstoff abzugeben. Das können sie etwa zwei Wochen lang tun, dann wird ihnen der Stress zuviel.“ Wenn es soweit ist, entfernen die Forscher 70 bis 80 Prozent der Algen aus der Kultur und lassen sie sich wieder unter normalen Bedingungen vermehren, bis das ganze von vorn beginnt. Die entfernten Algen könnten z. B. zu Biodiesel verarbeitet werden. „Algen stellen einen schnell wachsenden Rohstoff dar“, bemerkt Happe am Rande: „Sie wachsen zehnmal schneller als Schilfgras.“
Das Prinzip ist also einfach, und der Wirkungsgrad schon jetzt größer als zehn Prozent, obwohl das System noch nicht optimiert ist – zum Vergleich: Der Wirkungsgrad der H2-Produktion durch Photovoltaik liegt bei ca. zehn Prozent. Aber das genügt noch lange nicht: Um den Energiebedarf eines durchschnittlichen Dreipersonenhaushalts durch Wasserstoff aus Algen decken zu können, würde man eine Fläche von ca. 50 Kubikmeter Algenkultur benötigen. Da die Algen für Wachstum und Produktion Licht brauchen, kann man sie nur in ca. zehn bis 20 cm tiefen Gefäßen halten, so dass der Haushalt ein Algenbecken von ca. 500 Quadratmetern Größe haben müsste. Natürliche Selektion und genetische Manipulationen haben aber bereits Algen hervorgebracht, die fünfmal mehr Wasserstoff produzieren. Untersuchungen zeigen, dass auch der Wirkungsgrad des Systems steigt und die Forscher hoffen, ihn in Zukunft um den Faktor vier bis sechs steigern zu können. Dazu entwickeln sie auch neuartige Algenstämme, die hell- statt dunkelgrün sind, und so mehr Licht durchlassen. Das könnte für die Entwicklung von neuen, „tieferen“ Bioreaktoren wichtig sein, um die benötigte Fläche zu reduzieren.

Mit oder ohne Alge

Prof. Happe und seinen Kollegen haben aber auch auf einem anderen Gebiet einen wichtigen Durchbruch errungen: Den Wissenschaftlern gelang es vor kurzem, die Geninformationen zu ermitteln, die für den Bau des Enzyms Hydrogenase nötig sind. Schleust man diese Informationen in Bakterien ein, können diese 100mal mehr Hydrogenase produzieren als die Alge. Das Enzym (ein Molekül davon produziert pro Sekunde ca. 5.000 Moleküle Wasserstoff) kann man inzwischen auch isolieren und auf anorganische Trägermaterialien aufbringen, die als Wasserstoff-produzierender Katalysator wirken. Damit dieses System auch an der Luft – also ohne Sauerstoffmangel – arbeiten kann, sind die Forscher dabei, das Enzym so zu verändern, dass es nicht mehr sauerstoffempfindlich ist. „Man könnte sich nun z. B. eine mobile Brennstoffzelle vorstellen, die ihren Wasserstoff aus einer enzymbeschichteten Membran bezieht. Die für die Wasserstoffproduktion notwendige Energie in Form von überzähligen Elektronen könnte man z. B. mit einer chemischen Reaktion koppeln. Oder man baut eine weitere Einheit ein, die Photosynthese betreibt wie die Alge“, blickt Prof. Happe in die Zukunft. Weiteres Ziel der Forscher ist es, den Mechanismus der Wasserstoffproduktion im Protein zu verstehen, um auf Basis der von der Natur geschaffenen Reaktion chemische Katalysatoren herzustellen. Der gebürtige Herner gibt sowohl dem System mit als auch dem ohne Alge gute Chancen: Es komme nur auf die richtige Nische an. „Wunder kann man natürlich nicht erwarten, aber in fünf bis zehn Jahren könnte es erste Anwendungen geben“, spekuliert er.
Prof. Happe hat an der Ruhr-Uni Biologie studiert, ist nach der Promotion Mitte der 90er Jahre an die Uni Bonn gegangen und hat ein Jahr bei befreundeten Algenforschern in Berkeley verbracht. Nach Bochum ist er gern zurückgekommen: „Ich bin ein Kind des Ruhrgebiets und kenne die Schönheiten dieser Region. Auch weiß ich die gute Wissenschaftslandschaft und die kurzen Wege an der RUB zu schätzen.“ Zudem passt sein Schwerpunkt gut in die hiesige Forschungslandschaft: Seine Arbeitsgruppe ist bereits am Proteincenter, am internationalen Graduiertenkolleg „Regulationsnetzwerke in zellulären Systemen“ und am Sonderforschungsbereich „Molekulare Biologie komplexer Leistungen von botanischen Systemen“ beteiligt. „Es ist praktisch, dass hier schon eine gute Infrastruktur am Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen besteht, die wir gemeinsam nutzen können“, so Happe. Auch an einer interdisziplinärer Zusammenarbeit ist er interessiert und plant bereits gemeinsame Projekte mit den Maschinenbauern (Institut für Energietechnik) und den Chemikern.