de.wedoany.com-Bericht: Deutschland Kirstin Gutekunst von der Universität Kassel, Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität Bochum und Felipe Conzuelo von der Universidade Nova de Lisboa in Portugal sowie ihre Kollegen haben lebende Cyanobakterienzellen in einer weichen, mit Viologen modifizierten Redoxpolymerbeschichtung auf Elektroden eingefangen, wodurch um jede Zelle eine dünne „Hydrogelhülle“ entsteht. Anschließend legte das Team eine kleine negative Spannung an, sodass die Viologeneinheiten im Polymer reduziert wurden und in unmittelbarer Nähe der Zellen Sauerstoff reduzieren konnten, wodurch der Sauerstoff aus der Umgebung der Zellen effektiv entfernt wurde.
Die Forscher fanden heraus, dass das reduzierte Viologenpolymer den durch die Photosynthese erzeugten Sauerstoff effizient beseitigen kann, wodurch ein sauerstoffarmes Mikromilieu um die Zellen herum entsteht und gleichzeitig die schädliche Ansammlung von Wasserstoffperoxid vermieden wird. Die Hydrogenase in den Cyanobakterien bleibt daher aktiv und kann kontinuierlich Wasserstoff produzieren.
Experimente mit gentechnisch veränderten Cyanobakterien waren besonders erfolgreich. In diesen Mutanten ist die Hydrogenase genetisch direkt mit dem Photosystem I der Photosynthese gekoppelt. Im Vergleich zu Wildtypzellen im Polymer zeigten diese Mutanten eine länger anhaltende und stabilere Wasserstoffproduktion.
Unter diesen Schutzbedingungen produzierten die PSI-Hydrogenase-Fusionsmutanten unter Lichteinwirkung stabil Wasserstoff; sobald sich Sauerstoff ansammeln durfte, sank die Wasserstoffproduktion sofort ab. Da keine Glukose oder andere externe Brennstoffe hinzugefügt wurden, stammen die Elektronen für die Wasserstoffproduktion höchstwahrscheinlich direkt aus der Wasserspaltung durch Photosystem II, was den Erwartungen entspricht.
Die photosynthetische Wasserstoffproduktion ist normalerweise selbstlimitierend, da der bei der Wasserspaltung freigesetzte Sauerstoff die Hydrogenase inaktiviert. Diese Studie zeigt jedoch eine praktische Methode zur Entkopplung von Elektronen und Sauerstoff in intakten Zellen. Diese auf Polymeren basierende Sauerstoffentfernungsmethode vermeidet Enzymmischungen und zusätzliche Brennstoffe wie Glukose, wodurch das System einfacher und nachhaltiger wird und einer echten solarbetriebenen Wasserstoffproduktion näher kommt. Die Einbettung intakter Zellen in einstellbare Redoxpolymere eröffnet einen Weg zu skalierbaren „lebenden Elektroden“ – die Zellen reparieren sich biologisch selbst, während das Polymer die elektrochemischen Funktionen übernimmt.
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