Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachjournal Nature Catalysis, zeigen alle katalytisch relevanten Zustände des nickelhaltigen Enzyms „Kohlenmonoxid-Dehydrogenase“ (CODH) in atomarer Auflösung – ein Durchbruch, der neue Wege für die Entwicklung von effizienten, bioinspirierten Katalysatoren zur Nutzung von CO2 eröffnet.

Nickel-Ionen als Herz der Reaktion

Es sei faszinierend, diesen hochentwickelten Prozess, den die Evolution über Milliarden Jahre optimiert hat, nun Schritt für Schritt nachvollziehen zu können, erklärt Dr. Christian Lorent vom Fachgebiet Physikalische und Biophysikalische Chemie der TU Berlin. Im Zentrum des Enzyms arbeitet ein Nickel-Eisen-Komplex, der die Gas-Moleküle wie in einem molekularen „Zangengriff“ bindet: Das Nickel-Ion kann Elektronen in ein CO2-Molekül übertragen oder vom CO aufnehmen – und übernimmt gleichzeitig die jeweilige Bindung. Dadurch wird sowohl die Umwandlung von CO2 zu CO als auch der umgekehrte Prozess möglich.

Weil das Reaktionszentrum hoch empfindlich ist, liegt es tief verborgen im Inneren des Enzyms, das aus mehreren Tausend Atomen besteht. Spezialisierte Kanäle transportieren die Gasmoleküle präzise hinein und hinaus – vergleichbar mit Förderbändern. Man sehe jetzt in atomarer Auflösung, wie zum Beispiel ein neu entstandenes CO-Molekül noch am Nickel gebunden sei und bereits in Richtung seines Ausgangskanals weist, erläutert Lorent.

Klimaschutz auf Basis modernster Methoden vorstellbar

Entscheidend für den Durchbruch war die Verbindung von Proteinkristallographie mit hochauflösender Infrarot- und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie. Nur so ließ sich erstmals das komplette Bild aller Reaktionsschritte – von der CO2-Bindung bis zur CO-Freisetzung – gewinnen. Die Erkenntnisse sind nicht auf Grundlagenforschung beschränkt. Sie bieten eine Blaupause für die Entwicklung neuartiger Katalysatoren, die CO2 selektiv und effizient in nützliche chemische Grundstoffe oder synthetische Kraftstoffe umwandeln könnten. Mit dem Verständis von uralten Mechanismen der bakteriellen CO2-Umwandlung sei es möglich, diese direkt auf die Entwicklung künstlicher Katalysatoren zu übertragen, erklärt Yudhajeet Basak, Erstautor der Studie aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Holger Dobbek (HU Berlin). Dies könne einen beschleunigten Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Industrie bedeuten.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Exzellenzclusters UniSysCat durchgeführt. Das interdisziplinäre Verbundprojekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie gefördert.

Link zur Studie in der Zeitschrift Nature Catalysis

Weitere Informationen:
Dr. rer. nat. Christian Lorent
Fachgebiet Physikalische und Biophysikalische Chemie
Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften
Technische Universität Berlin
Tel.: + 49 30 314-26389
E-Mail: christian.lorent@tu-berlin.de

(Quelle: Technische Universität Berlin)