Biochemie

Grafische Darstellung des Photosystems II

Solarkraftwerke nach dem Bauplan der Natur

Heute gibt es schon Heizkraftwerke, die Holz verfeuern und Autos, die mit Ethanol fahren. Doch mit Biomasse und Ethanol alleine lassen sich die Energieprobleme nicht lösen. Zum einen könnten Landwirte und Forstwirte in Deutschland beispielsweise selbst dann nicht genug Biomasse für den Energiebedarf produzieren, wenn sie das ganze Land für die Energieversorgung beackerten. Zum anderen eignet sich Biomasse auch nicht für alle Formen der Energieerzeugung. Strom etwa lässt sich aus Biomasse nicht gut gewinnen – der Wirkungsgrad dieses Prozesses ist sehr schlecht, weil dabei zu viel Energie verloren geht. Statt das Licht der Sonne erst in Pflanzen oder ihren Produkten zu speichern, wäre es praktischer, seine Energie direkt in Strom zu verwandeln. Und wenn die Energie gespeichert werden soll, um sie an anderem Ort und zu anderer Zeit in Strom umzusetzen, wäre Wasserstoff in vielen Fällen der bessere Energieträger.

Bislang können nur Solarzellen Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln, aber auch nicht wirklich gut: Sie nutzen nämlich nur einen relativ kleinen Teil der Lichtenergie, die sie einfangen. Für wirtschaftlich arbeitende Solarzellen liegt der Wirkungsgrad, also das Verhältnis der eingestrahlten Leistung der Sonne zur elektrischen Leistung, derzeit bei höchstens 20 Prozent. Und mit diesem Strom Wasserstoff zu produzieren, ist noch uneffektiver und kostspielig dazu. Denn dies ist elektrolytisch nur an teuren Edelmetalloberflächen, wie zum Beispiel Platin, möglich, wo die elektrische Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Pflanzen schaffen bezogen auf rotes Licht immerhin einen Wirkungsgrad von 35,5 Prozent. Allerdings bauen sie mit der Sonnenenergie Zucker auf – was ein sehr aufwändiger Prozess ist.

Ließe sich die Photosynthese so steuern, dass sie Strom statt Zucker liefert, wäre sie womöglich noch effizienter. Genau daran arbeiten Wissenschaftler: Sie möchten die Photosynthese nachahmen, aber die Elektronen, die dabei verschoben werden, möglichst früh abfangen und ins Stromnetz schicken. Andere Forscher versuchen sich zudem an biologischer Wasserstoffproduktion: Sie möchten Hydrogenasen technisch nutzbar machen oder imitieren. Mit diesen Enzymen reduzieren bestimmte anaerobe Mikroorganismen Protonen zu Wasserstoff. Die Elektronen, die dafür nötig sind, würde optimaler Weise die Photosynthese liefern.

Das Photosystem II könnte Energieprobleme lösen

Dabei haben die Forscher es vor allem auf einen, den entscheidenden Schritt abgesehen, den Pflanzen und Photosynthese treibende Mikroorganismen viel besser beherrschen als jede Technik: Sie können nämlich mit der Lichtenergie, die sie über ihr Chlorophyll a einfangen, im Photosystem II (PS II) - einem Komplex aus Membranproteinen und den Pigment-Molekülen - Wasser oxidieren, d.h. sie entreißen dem Sauerstoff im Wassermolekül die Elektronen, und das, obwohl Sauerstoff Elektronen so ungern hergibt wie kaum ein anderes chemisches Element. Im Photosystem II entstehen Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Diese Elektronen sind entscheidend. Sie schwirren nicht frei herum, sondern reduzieren Manganatome im Zentrum des PS II. Von diesen lassen sie sich relativ leicht wieder lösen, um sich an weiteren chemischen Reaktionen zu beteiligen. So fließen sie über eine Elektronen-Transportkette in den Aufbau von NADPH - und damit wird es für die Chloroplasten möglich, Glukose herzustellen.

Viele Energieprobleme wären gelöst, könnte man die Proteine des Photosystems II isolieren und die Elektronen in einen Kupferdraht statt in die biologische Transportkette schicken. So einfach geht es aber nicht. Schuld daran sind der Sauerstoff und radikalische Zwischenprodukte, die bei der Wasseroxidation im Photosystem II entstehen. Diese legen das PS II schon nach einer halben Stunde in der prallen Sonne lahm, unter anderem weil sie chemisch so aggressiv sind, dass sie die empfindlichen Proteine des PS II schlicht zersetzen. Für die Natur ist das kein großes Problem – sie ersetzt den Biokatalysator ständig; für jeden großtechnischen Prozess wird es damit aber unbrauchbar. Denn ein so großes und empfindliches Molekül im Halbstunden Takt zu verschleißen, wäre viel zu teuer.

Also möchten Wissenschaftler Katalysatoren basteln, die wie das Photosystem II arbeiten, aber dem Sauerstoff länger stand halten. Das aber können sie nur, wenn sie bis ins kleinste Detail verstehen, wie das natürliche Vorbild aufgebaut ist und funktioniert. Im Zentrum des Photosystems II – das weiß man schon länger - werden die Wassermoleküle an einer Konstruktion aus vier Manganatomen und einem Kalziumatom gespalten. Im Jahr 2001 fanden Berliner Wissenschaftler heraus, wie sich die einzelnen Teile des Photosystems II räumlich zueinander anordnen. Wie wiederum die vier Manganatome im Zentrum des Photosystems II über Sauerstoffatome miteinander verbunden sind, konnten Wissenschaftler u.a. vom Max-Planck-Institut für bioanorganische Chemie dann im vergangen Jahr klären.

Nun ist in punkto Struktur noch offen, wo genau in diesem Ensemble das Kalziumatom seinen Platz hat, und wie das Protein den Mangan-Komplex bindet und bei der Reaktion unterstützt. Doch selbst wenn dieses Rätsel gelöst ist, haben die Wissenschaftler nur einen ersten Schritt getan, um das Photosystem II zu imitieren. Dafür müssen sie auch noch herausfinden, wo genau sich die Wassermoleküle während der Reaktion anlagern. Eine schwierige Aufgabe. Denn unglücklicherweise sind die Methoden, mit denen sie den Komplex bislang untersuchten, für Wassermoleküle blind.

Peter Hergersberg (2007)