Maßgeschneidertes Enzym für die Produktion von grünem Wasserstoff

Eine „wilde“ Idee, drei Wissenschaftler*innen und maximaler Freiraum: Hierfür steht das Förderprogramm „Wildcard“ der Carl-Zeiss-Stiftung. Eine von fünf mutigen Ideen aus der Grundlagenforschung, die jetzt neu gefördert werden, ist das Projekt ENERGASE. Was sich dahinter verbirgt, erklärt Professor Hajo Kries, Projektkoordinator und Wissenschaftler am Institut für Biochemie (IBC) der Universität Stuttgart, in diesem Interview.

Herr Professor Kries, welche „wilde Idee“ verfolgen Sie mit ENERGASE?

Wir wollen die Grundlagen legen, um Wasserstoff aus Biomasse im industriellen Maßstab herstellen zu können. Das funktioniert bislang noch nicht. Hierfür wollen wir ein neuartiges, robustes und effizientes Enzym bauen, das es in der Natur so nicht gibt. Wir brauchen es als Katalysator, um Mikroorganismen die effiziente Produktion von grünem Wasserstoff zu ermöglichen.

Warum ist grüner Wasserstoff so wichtig?

Er ist ein entscheidender Baustein für die Energiewende. Wir brauchen Wasserstoff in der Schwerindustrie, für die Luftfahrt, für Düngemittel oder auch für die Energiespeicherung — um ein paar Beispiele zu nennen. Wir hoffen, dass wir ihn mit Hilfe von biotechnologischen Verfahren nicht nur nachhaltig, sondern auch wirtschaftlich erzeugen können. Biomasse ist eine gut verfügbare Energiequelle und, wenn wir ihr Potenzial richtig nutzen, können wir eine konkurrenzfähige Alternative zu Verfahren entwickeln, die von fossilen Brennstoffen abhängen, und so die Dekarbonisierung der Wirtschaft vorantreiben. 

Woran scheitert die Produktion von nachhaltigem Wasserstoff aus Biomasse bislang?

Dreh- und Angelpunkt des Prozesses ist ein Enzym namens Hydrogenase. Es kommt in Mikroorganismen vor und kann Wasserstoff erzeugen oder verbrauchen, also wieder abbauen. Es ist ein Katalysator, der hocheffizient arbeitet, der aber leider sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff ist und einen instabilen Metallkern hat. Hydrogenase praxistauglich zu machen ist eine riesige Herausforderung, an der viele Wissenschaftler*innen weltweit arbeiten.

Wie wollen Sie das Problem lösen?

Wir bündeln unser Know-how in der Biochemie und in der theoretischen und anorganischen Chemie, um ein neues Enzym, die Energase, im Labor gezielt zu designen. Die Kunst ist es, dabei Sauerstofftoleranz zu erreichen, ohne Katalyse-Effizienz zu verlieren. Deswegen lösen wir uns von natürlichen Vorbildern. Stattdessen setzen wir unter anderem auf computergestützte Simulationen von Enzymstrukturen, Proteindesign mit Hilfe künstlicher Intelligenz und ein automatisiertes Enzym-Screening im Labor.

Das Projekt ENERGASE (Engineering a better-than-nature enzymatic mechanism for biophydrogen production) wird von der Carl-Zeiss-Stiftung für einen Zeitraum von zwei Jahren mit 900.000 Euro gefördert. Unter der Koordination von Prof. Hajo Kries (Institut für Biochemie der Universität Stuttgart) beteiligen sich Prof. Johannes Kästner (Institut für Theoretische Chemie der Universität Stuttgart) und Prof. Moritz Kühnel (Institut für Chemie der Universität Hohenheim) an dem Projekt.

Die Carl-Zeiss-Stiftung hat sich zum Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Als Partner exzellenter Wissenschaft unterstützt sie sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung und Lehre in den MINT-Fachbereichen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). 1889 von dem Physiker und Mathematiker Ernst Abbe gegründet, ist die Carl-Zeiss-Stiftung eine der ältesten und größten privaten wissenschaftsfördernden Stiftungen in Deutschland. Sie ist alleinige Eigentümerin der Carl Zeiss AG und SCHOTT AG. Ihre Projekte werden aus den Dividendenausschüttungen der beiden Stiftungsunternehmen finanziert.