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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Herstellung eines Wasserstoffträgers.
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Die bisherige Energieversorgung basiert vor allem auf den fossilen Energieträgern Erdöl, Kohle und Erdgas. Deren Vorkommen haben jedoch eine begrenzte Reichweite und erschöpfen sich. Wegen der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern und aufgrund von Bestrebungen zum Umwelt- und Klimaschutz sowie zu geringerer Abhängigkeit von Energieexporteuren arbeitet man an Lösungen für eine nachhaltigere Energiebereitstellung. Daher findet derzeit ein starker Ausbau der Nutzung der so genannten erneuerbaren Energien statt. Als erneuerbare Energien werden Energiequellen bzw. Energieträger bezeichnet, die kurzfristig und nach menschlichen Maßstäben unerschöpfbar zur Verfügung stehen. Eine gewisse Bedeutung hat traditionell die Nutzung der Wasserkraft und von Biomasse. Seit den 1990ern nimmt insbesondere die Nutzung von Wind, Sonnenenergie und Biomasse stark zu.
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Als Energieträger der Zukunft gilt Wasserstoff. Er kann beispielsweise durch Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von elektrischem Strom (Elektrolyse) erzeugt werden, der aus erneuerbaren Energiequellen (z. B. Wasserkraft, Wind, Sonnenenergie, Biomasse) gewonnen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Wasserstoff durch thermochemische Vergasung von Biomasse zu erzeugen.
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Seit einiger Zeit gibt es auch vielfältige Bemühungen, Verfahren zur direkten Herstellung von Energieträgern mit Hilfe von Cyanobakterien oder Grünalgen zu entwickeln. Ein seit langem verfolgter Ansatz besteht in der photosynthetischen Produktion von Wasserstoff. Dieser Prozess findet allerdings in der Natur nur in Spuren statt. Eine technische Nutzung dieses Prozesses hat sich als problematisch erwiesen, da das für den Prozess verantwortliche Enzym Hydrogenase sehr sauerstoffempfindlich ist. Daher müssten hierfür erst Organismen konstruiert werden, die gegenüber dem Sauerstoff, der bei der Photosynthese aus Wasser neben dem Wasserstoff gebildet wird, tolerant sind.
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Viel aussichtsreicher erscheinen alternative Strategien, bei denen die durch Sonnenenergie freigesetzten Wasserstoffäquivalente nicht als freier Wasserstoff abgegeben werden, sondern an Trägermoleküle gebunden werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem ein leicht handhabbarer Wasserstoffträger mit hoher Energiedichte hergestellt werden kann.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels Cyanobakterien über photosynthetisch gekoppelte Reaktionen aus Stickstoff oder Stickstoff enthaltenden Verbindungen gebildetes Ammonium über die Zellmembran der Cyanobakterien abgezogen und daraus erzeugtes Ammoniak als Wasserstoffträger zur Verfügung gestellt wird.
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Die Erfindung macht sich dabei folgende Erkenntnisse aus der Biologie von Algen und Cyanobakterien zu Nutze:
Der Stoffwechsel von Grünalgen und Cyanobakterien besteht aus dem photosynthetischen Prozess und dem Calvin-Zyklus sowie daran angeschlossenen Stoffwechselwegen des Zentralstoffwechsels zum Aufbau der Biomasse. Mit Hilfe von Sonnenenergie spaltet der photosynthetische Prozess mittels des Photosystem-II-Apparates Wasser zu H+, e– und O2. Dabei werden Energie- und Reduktionsäquivalente für den Zellstoffwechsel gewonnen. Cyanobakterien sind in der Lage, Ammonium über photosynthetisch gekoppelte Reaktionen mit Hilfe des Enzyms Nitrogenase aus Luftstickstoff (N2) bzw. mit Hilfe der Enzyme Nitrat- und Nitritreduktase aus Nitrat herzustellen. Natürlicherweise wird das entstehende Ammonium sofort mit Hilfe von Enzymen, insbesondere des Enzyms Glutaminsynthetase, zu organischen Stickstoffverbindungen assimiliert. Eine überschüssige Bildung von Ammonium wird durch eine strikte Regulation der beteiligten Enzyme verhindert. Sobald mehr Ammonium entsteht als assimiliert werden kann, werden die Ammonium bildenden Prozesse gedrosselt. Eine Schlüsselrolle spielen dabei die Regulationsproteine PII (Protein der Fraktion II für Glutaminsysnthetaseregulierung), NtcA (nitrogen control Protein A) und PipX (PII-interacting Protein X), die zusammen die Aktivität und Synthese der Ammoniak bildenden Enzyme kontrollieren. Das Enzym Hydrogenase dient demgegenüber der Energiebilanzierung des Stoffwechsels und dem Ausgleich von energetischen Stoßfunktionen bzw. Ungleichgewichten.
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Der Erfindung liegt nun die Überlegung zugrunde, das in den Cyanobakterien über photosynthetisch gekoppelte Reaktionen gebildete Ammonium über die Zellmembran des Cyanobakterien abzuziehen und in Form von Ammoniak als Wasserstoffträger zu nutzen.
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Um die Ammoniumausbeute zu erhöhen werden vorzugsweise die Ammonium bildenden Reaktionen durch Erhöhung der enzymatischen Aktivität der Nitrogenase gefördert.
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Hierzu werden vorzugsweise folgende biologische Mechanismen genutzt:
Sämtliche Enzyme, die an der Synthese von Ammonium aus Stickstoff oder Stickstoff enthaltenden Verbindungen beteiligt sind, stehen unter der Kontrolle des Genexpressionsfaktors NtcA. Genexpressionsfaktoren, die häufig auch als Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden, sind allgemein Proteine, die eine regulierte Expression eines Gens ermöglichen. Unter Genexpression versteht man die Biosynthese von RNA und Proteinen aus den genetischen Informationen. Die Genexpressionsfaktoren können sich dynamisch an die für den Start der Transkription wichtigen und dem eigentlichen Gen vorgelagerten DNA-Abschnitte anlagern und so den Start der Transkription des Gens durch die RNA-Polymerase vermitteln. Solche DNA-Abschnitte werden als Promotoren bezeichnet. Dabei kann durch die Genexpressionsfaktoren die Aktivität des Gens sowohl unterdrückt als auch verstärkt werden.
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Zur Erhöhung der enzymatischen Aktivität der Nitrogenase wird nun zweckmäßigerweise der Genexpressionsfaktor NtcA verstärkt aktiviert.
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Der Genexpressionsfaktor NtcA wird allgemein durch Komplexbildung mit dem Ko-Aktivator PipX (PII-interacting Protein X) aktiviert. In Wildtyp-Zellen wird die Bindung von NtcA an PipX (und damit die Aktivierung von NtcA) durch die intrazelluläre 2-Oxoglutarat-Konzentration gesteuert. Zur verstärkten Aktivierung des Genexpressionsfaktors NtcA wird vorzugsweise eine vermehrte Bildung des Ko-Aktivators PipX angeregt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Stamm hergestellt, der vermehrt PipX bildet. Hierzu wird das den Ko-Aktivator PipX kodierende PipX-Gen unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors gebracht, der in das Genom des Cyanobakteriums eingebracht wird. Besonders bevorzugt wird ein durch den Genexpressionsfaktor NtcA induzierbarer Promotor verwendet. Dadurch wird erreicht, dass bei Vorhandensein und/oder Zugabe einer ausreichenden Menge an NtcA der Promotor des PipX-Gens aktiviert wird, folglich vermehrt der Ko-Aktivator PipX gebildet wird und durch Komplexbildung des Ko-Aktivators PipX mit dem Genexpressionsfaktor NtcA dieser aktiviert wird, was schließlich zu einer Erhöhung der enzymatischen Aktivität der Nitrogenase und somit zur Verbesserung der Ammoniumausbeute führt.
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Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens sieht vor, dass die Ammoniumausbeute durch Blockierung der Verwertung des Ammoniums innerhalb des Cyanobakteriums erhöht wird. Somit steht vermehrt Ammonium zum Abzug aus dem Cyanobakterium zur Verfügung. Dies wird dadurch erreicht, dass die Assimilation des über photosynthetische Reaktionen gebildeten Ammoniums zu organischen Stickstoffverbindungen im Cyanobakterium gehemmt wird.
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Hierzu wird vorzugsweise die Glutaminsynthese genetisch gehemmt. Dies kann durch Inhibition Glutamin bildender Enzyme, insbesondere der Glutaminsythetase, erfolgen.
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Eine bevorzugte Möglichkeit hierfür besteht in einer endogenen Expression von Inhibitionsproteinen, insbesondere Inhibitionsfaktoren IF7 und IF17 (Glutaminsynthetase-Inhibitions-Faktoren mit Molekulargewichten von 7 kDa bzw. 17 kDa). Es wird also dafür gesorgt, dass diese Inhibitionsfaktoren im Cyanobakterium selbst gebildet werden. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, dass die die Inhibitionsproteine kodierenden Gene unter Kontrolle eines, insbesondere durch den Genexpressionsfaktor NtcA, induzierbaren Promotors gebracht werden, der in das Genom des Cyanobakteriums eingebracht wird. Das hat zur Folge, dass bei Vorhandensein und/oder Zugabe einer ausreichenden Menge an NtcA vermehrt Inhbitionsproteine gebildet werden, die die Glutaminsynthetase unterdrücken, wodurch die interne Verwertung des Ammoniums über die Glutaminsynthese blockiert wird.
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Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur genetischen Hemmung der Glutaminsynthese besteht in einer direkten Beeinflussung der Expression der die Glutaminsynthetase kodierenden Gene, insbesondere des glnA-Gens. Hierzu werden zweckmäßigerweise die die Glutaminsynthetase kodierenden Gene unter Kontrolle eines durch den Genexpressionsfaktor NtcA reprimierten Promotors gebracht, der in das Genom des Cyanobakteriums eingebracht wird. Das hat zur Folge, dass bei Vorhandensein und/oder Zugabe einer ausreichenden Menge an NtcA die Bildung des Enzyms Glutaminsynthetase von Anfang an unterdrückt wird, wodurch die interne Verwertung des Ammoniums über die Glutaminsynthese blockiert wird.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird gleichzeitig die Nitrogenaseaktivität zur Ammoniumbildung erhöht und die interne Verwertung des so gebildeten Ammoniums in der Glutaminsynthese blockiert. Dabei werden bevorzugt NtcA-induzierbare Promotoren für die Erhöhung der Nitrogenaseaktivität und NtcA-reprimierte Promotoren für die Hemmung der Glutaminsynthese eingesetzt. Hierdurch verringert sich die Bildung der Glutaminsynthetase in dem Maß wie die Herstellung von Ammonium bildenden Genen zunimmt. Das System kann durch die Zugabe kleiner Mengen an NtcA gestartet werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Auslassmechanismus für das Ammonium über die Zellmembran des Cyanobakteriums geschaffen wird. Hierzu werden in die Zellmembran des Cyanobakteriums Membranproteine eingebaut, die als bifunktionelle Ammoniumkanäle fungieren und einen Ammoniumtransport in Eintritts- und Austrittsrichtung ermöglichen.
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Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ammoniumausbeuten deutlich erhöht werden können, wenn Zellen hergestellt werden, die über einen Ammonium-Austrittskanal verfügen. Die in Cyanobakterien-Wildtypzellen vorhandenen Ammonium-Transporter sind reine Aufnahme-Transporter. Wenn diese gegen bifunktionelle Transporter ausgetauscht werden, so kommt es zu einem beschleunigten Austritt von intrazellulärem Ammonium. Als bifunktionelle Transporter werden Membranproteine verwendet, die einen Ammoniumtransport in beide Richtungen erlauben.
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Zu diesem Zweck werden vorzugsweise Membranproteine kodierende Gene von Organismen mit bekannten bifunktionellen Ammoniumkanälen in cyanobakterielle Expressionsvektoren kloniert. Diese Expressionsvektoren werden dann in die Cyanobakterien eingebracht, so dass dort ebenfalls bifunktionelle Ammoniumkanäle gebildet werden.
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Mit der Erfindung wird eine Möglichkeit geschaffen, aus Sonnenenergie einen Wasserstoffträger zu erzeugen, der gegenüber freiem Wasserstoff erhebliche Vorteile aufweist:
Zum einen ist die biotechnologische Produktion des Wasserstoffträgers wesentlich einfacher zu handhaben als die biotechnologische Herstellung von freiem Wasserstoff. Ein Kernproblem bei der direkten Herstellung von freiem Wasserstoff mittels Photosynthese ist die Sauerstoffempfindlichkeit des dabei maßgeblich beteiligten Enzyms Hydrogenase. Bisher ist es nicht gelungen, eine ausreichend sauerstoffresistente und voll funktionsfähige Hydrogenase in Cyanobakterien zu exprimieren. Die Erfindung vermeidet dieses Problem dadurch, dass nicht die Hydrogenase zur Produktion von freiem Wasserstoff eingesetzt wird, sondern die Fähigkeit von Cyanobakterien ausgenutzt wird, Stickstoff durch photosynthetisch gekoppelte Reaktionen zu fixieren. Das dabei beteiligte Enzym Nitrogenase versorgt natürlicherweise die Zellen mit Stickstoff für das Zellwachstum. Im Lauf der Evolution wurden ausgefeilte Strategien entwickelt, um die Nitrogenase vor dem Sauerstoff zu schützen, der bei der Photosynthese frei wird. Daher bedient sich die Erfindung eines Systems, das von Natur aus gut funktioniert.
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Zum anderen ist der erfindungsgemäß produzierte Wasserstoffträger sehr viel leichter zu transportieren und zu speichern als freier Wasserstoff. Ammoniak weist eine sehr hohe Energiedichte auf (17,6 Gew.-% Wasserstoff). Es handelt sich dabei um eine gängige chemische Substanz, die unter niedrigem Druck gespeichert werden kann. Außerdem kann der Wasserstoff bei Temperaturen unter 300°C durch Metallkatalyse aus dem Ammoniak freigesetzt werden.