Prof. Nicolas Plumeré Bild: Jan Winter / TUM
Die Dekarbonisierung unsere Wirtschaft benötigt in einer Vielzahl von industriell relevanten Prozessen einen Umstieg von fossilen Energieträgern auf nachhaltige Alternativen, wie grüner Wasserstoff. Das größte Hindernis bei dieser industrieweiten Umstellung ist die kostengünstige Verfügbarkeit von nachhaltig produziertem Wasserstoff, welcher ökonomisch konkurrieren muss mit dem aus fossilem Erdgas gewonnen. Einer der Engpässe für die großtechnische und ökonomisch rentable Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist die Abhängigkeit von Edelmetallen, wie Platin, als Katalysatoren. Für eine erfolgreiche Umstellung ist es also essenziell, dass Platin durch freiverfügbare und kostengünstigere Alternativen ersetzt wird, ohne an Effizienz einzubüßen. Glücklicherweise zeigt uns die Natur mit ihrer Vielzahl an biologischen Katalysatoren, den Enzymen, wie aus breit verfügbaren Grundstoffen effiziente Katalysatoren hergestellt werden können. In der Tat hat sie bereits Hydrogenasen entwickelt, eine Klasse von Biokatalysatoren, welche in der Lage sind, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen oder es zu spalten. Allerdings sind die heute bekannten Hydrogenasen an die physiologischen Bedingungen innerhalb der verschiedenen Organismen, in denen sie vorkommen angepasst und nicht an die harschen Bedingungen moderner Brennstoffzellen und Elektrolyseure. Um eine breite industrielle Relevanz zu bekommen müssen natürliche Enzyme also so verändert werden, dass sie diesen Bedingungen standhalten.
Left: Evolution eines künstlichen Enzyms um die Überlebensfähigkeit bei höheren Temperaturen und niedrigen pH-Werten zu erhöhen. Rechts: Schematische Darstellung eines Elektrodenarrays mit künstlichen Hydrogenasen für die Hochdurchsatzmethode. Bild: Prof. Nicolas Plumeré / TUM
Die heutige Biotechnologie ist in der Lage Enzyme durch den Austausch von Aminosäuren zu verändern, jedoch beschränken sich diese Ansätze meistens auf die natürlichen Aminosäuren. Mit seinem ERC Consolidator Projekt „E-VOLUTION“ möchte Prof. Plumeré diese Grenze durchbrechen und eine Plattform entwickeln, in welcher künstliche Enzyme, welche die extremen Bedingungen industrieller Prozesse überleben, automatisiert hergestellt werden können. Über Hydrogenasen hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Entwicklung von verschiedensten hochaktiven und maßgeschneiderten Enzymen für diverse chemische Reaktionen und soll dadurch die Chemieindustrie auf ihrem Weg Richtung Nachhaltigkeit begleiten.