Verbundprojekt: Strukturbasiertes Metabolic Engineering der H2-Produktion durch Algen; Teilvorhaben: Molekulares Proteindesign zur fermentativen H2-Bildung

In der Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii erhalten chloroplasten-lokalisierte [FeFe]-Hydrogenasen (HYDA) Elektronen vom photosynthetischen Ferredoxin (FDX1). Der Hydrogenase-Typ der [FeFe]-Hydrogenasen katalysiert die Erzeugung von bis zu 10.000 H2-Molekülen pro Sekunde und Enzym und übertrifft damit chemische Katalysatoren. Ziel des Verbundvorhabens H2M ist es, Chlamydomonas so zu verändern, dass die Zellen die hohe Leistung dieser H2-bildenden Biokatalysatoren maximal nutzen können. Natürlicherweise produziert die Alge H2 mittels der Photosynthese unter Bedingungen, welche die photosynthetische O2-Produktion sowie die CO2-Fixierung beeinträchtigen. Obwohl die lichtabhängige H2-Produktion ein erstrebenswerter Prozess für die regenerative H2-Erzeugung ist, wird sie durch die Notwendigkeit der Photobioreaktor-Lichtdurchdringung und den Zellstress, der für die Induktion eines H2-Stoffwechsels erforderlich ist, eingeschränkt. Um diese Nachteile zu umgehen, will H2M auf der fermentativen H2-Produktion aufbauen. In Chlamydomonas erfordert die H2-Produktion im Dunkeln die chloroplasten-lokalisierte Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase (PFR1), die Pyruvat und Oxalacetat oxidiert und gleichzeitig FDX1 reduziert. Während bei dem natürlichen plastidären Dunkel-Prozess nur geringe Mengen an H2 entstehen, will H2M diesen H2-Stoffwechsel stattdessen in den Mitochondrien der Algen installieren. Diese Zellkompartimente haben von Natur aus einen niedrigen O2-Gehalt und ein niedriges Redoxpotential und stellen so die perfekte Umgebung für unsere O2-intoleranten Zielproteine dar.