Wasserstoffmetabolismus

Die Hydrogenase (H₂ase) nutzt unter fermentativen Bedingungen im Dunkeln Elektronen aus dem Kohlenhydratabbau für die Wasserstoffproduktion. Wenn dunkeladaptierte Kulturen beleuchtet werden, produzieren sie vorübergehend sogenannten photosynthetischen Wasserstoff (PhotoH₂) und nutzen dafür sowohl Elektronen aus dem Abbau von Kohlenhydraten als auch aus der Photosynthese (Mahapatra et al. 2026; bioRxiv, in Review).

Der zentrale Kohlenhydratstoffwechsel ist in Cyanobakterien eng mit dem Wasserstoffmetabolismus verbunden. Das Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 besitzt eine Hydrogenase, die die denkbar einfachste Reaktion katalysiert: Sie reduziert Protonen (H⁺) zu Wasserstoff (H₂) bzw. oxidiert in umgekehrter Richtung Wasserstoff wieder zu Protonen. Für die Wasserstoffproduktion benötigt das Enzym energiereiche Elektronen. Diese stammen sowohl aus dem Abbau von Kohlenhydraten als auch aus der Photosynthese. Der sogenannte photosynthetische Wasserstoff (PhotoH₂) wird von den Zellen jedoch im Anschluss wieder oxidiert und konsumiert. 

Wenn Zellen unter anaeroben Bedingungen im Dunkeln gehalten werden, oxidieren sie ihre Kohlenhydrate und produzieren sogenannten fermentativen Wasserstoff. Bringt man diese Zellen ins Licht, dann startet die Lichtreaktion der Photosynthese unmittelbar. Der Calvin-Benson-Bassham (CBB) Zyklus der CO₂-Fixierung, der die Elektronen aus der Photosynthese akzeptiert, benötigt jedoch etwas mehr Zeit, um im Licht aktiviert zu werden. In dieser Situation kommt es in den Zellen zu einem Elektronenstau in der photosynthetischen Elektronentransportkette. Die Hydrogenase überträgt diese Elektronen aus der Photosynthese auf Protonen überträgt und produziert PhotoH₂. Sobald der CBB-Zyklus aktiviert ist, fließen die Elektronen in die CO₂-Fixierung. Wenn die Photosynthese auf vollen Touren läuft, entsteht an Photosystem II so viel O₂, dass die Hydrogenase, die ein sauerstoffempfindliches Enzym ist, gehemmt wird. Um photosynthetischen Wasserstoff biotechnologisch nutzen zu können, muss der Sauerstoff also aus den Kulturen entfernt werden. Darüber hinaus konkurriert die Hydrogenase mit dem CBB-Zyklus der CO₂-Fixierung und weiteren Prozessen in der Zelle um Elektronen aus der Photosynthese. 

Um die photosynthetische Wasserstoffproduktion zu maximieren, haben wir die Hydrogenase genetisch an das Photosystem I der Photosynthese fusioniert (Appel et al., 2020, Redding et al. 2022, Wang et al., 2023, Paul et al. 2026, Wang et al. 2026). Die Fusionen aus Photosystem I und Hydrogenase (PSI-H₂ase) erzeugen sowohl in vivo als auch in vitro erfolgreich Wasserstoff. Die PSI-H₂ase Mutanten nehmen den PhotoH₂ im Anschluss wie erhofft nicht wieder auf. 

Verschiedene Untereinheiten der Hydrogenase wurden genetisch an das Photosystem I der Photosynthese fusioniert, um die PhotoH₂-Produktion zu maximieren. 

Die Vision dieses Projektes, die wir mit vielen anderen Wissenschaftlern auf der Welt teilen, ist es, Sonnenenergie über die Photosynthese in Form von Wasserstoff zu speichern. Speist man diesen photosynthetischen Wasserstoff in Brennstoffzellen, werden die Elektronen in der Knallgasreaktion zurück auf Sauerstoff übertragen. Die gespeicherte Sonnenenergie wird freigesetzt und als Nebenprodukt entsteht reines Wasser. Der Kreislauf ist geschlossen. Diese Form der Energiekonservierung und -nutzung ist die wohl denkbar nachhaltigste und umweltfreundlichste Form. Noch betreiben wir viel Grundlagenforschung und können nicht sicher sein, ob sich der Prozess bis zur Produktreife entwickeln lässt. Das Potential dieses Prozesses ist jedoch so groß, dass wir es mit vereinten Kräften auf jeden Fall versuchen möchten. Dafür benötigen wir sowohl detaillierte Kenntnisse zum Kohlenhydrat- als auch zum Wasserstoffmetabolismus in Cyanobakterien.

Referenzen: 

Appel, J., Hueren, V., Boehm, M., Gutekunst, K.* (2020) Cyanobacterial in vivo solar hydrogen production my means of a photosystem I-hydrogenase (psaD-hoxYH) fusion complex. Nature Energy, 10.1038/s41560-020-0609-6

Heinrich Burgstaller, H., Wang, Y., Caliebe, J., Hüren, V., Appel, J., Boehm, M., Leitzke, S., Theune, M., King, PW., Gutekunst, K.* (2022) Synechocystis sp. PCC 6803 requires the bidirectional hydrogenase to metabolize organic carbon and nitrogen under oxic conditions, Frontiers in Microbiology, 10.3389/fmicb.2022.896190

Redding, K., Appel, J., Boehm, M., Schuhmann, W., Nowaczyk, M.M., Yacoby, I., Gutekunst, K.* (2022) Advances and challenges in photosynthetic hydrogen production. Trends in Biotechnology, 10.1016/j.tibtech.2022.04.007.

Wang, P., Frank, A., Appel, J., Boehm, M., Strabel, N., Nowaczyk, MM., Schuhmann, W.*, Conzuelo, F.*, Gutekunst, K.* (2023) In Vivo Assembly of Photosystem I-Hydrogenase Chimera for In Vitro PhotoH2 Production. Advanced Energy Materials,abs/10.1002/aenm.202203232

Wang, P., Paul, F., Boehm, M., Appel, J., Gutekunst, K.*, Schuhmann, W.*, and Conzuelo, F.* (2026) Electrochemical Protection of Cyanobacterial Cells from Molecular Oxygen Enables Sustained PhotoH₂ Production. Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202519077

Paul, F., Strabel, N., Boehm, M., Appel, J., Gutekunst, K.* (2026) Removal of Photosystem I Subunit PsaE Leads to Photosynthetic Hydrogen Production in a Cyanobacterial PsaF-HoxYH Fusion Strain, Plant Cell Environment, 10.1111/pce.70659

Mahapatra, G. P., Strabel, N., Lorent, C., Kumar, A., Bohn, S., Klamke, M. A., Boehm, M., Teutloff, C., Zebger, I.*, Appel, J.*, Schuller, J.*, Gutekunst, K.* (2026) Electron confurcation drives photosynthetic H₂ production in cyanobacteria, bioRxiv, under review