Wie Pflanzen Wasser spalten

Wissenschaftler haben den Mechanismus entschlüsselt, mit dem Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie Wasser spalten.

Kohle, Erdöl oder Erdgas: In allen fossilen Brennstoffen steckt die Energie des Sonnenlichts - mit Hilfe der Photosynthese wurde sie in energiereichen chemischen Verbindungen gespeichert. Nun hat ein Forscher des Max-Planck-Instituts für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr gemeinsam mit Kollegen der TU und FU Berlin sowie des Lawrence Berkeley National Laboratory ein wichtiges Detail dieses Prozesses aufgeklärt: Die Wissenschaftler haben die Struktur des Komplexes im Photosystem II bestimmt, an dem mit der Energie des Sonnenlichts Wasser gespalten wird. Dabei entstehen neben molekularem Sauerstoff auch Protonen und chemisch gebundenen Elektronen, die sich im Prinzip zu Wasserstoff vereinigen lassen. Ließe sich dieser Prozess nachahmen, stünde ein unerschöpflicher kohlendioxidfreier Energieträger zur Verfügung.

Abb. 1: Der Photosystem II Kristall (Bildmitte) ist kleiner als ein Stecknadelkopf. Um ihn besser positionieren zu können, bestrahlen die Wissenschaftler ihn mit grünem Licht. Von oben einströmendes Helium kühlt ihn auf minus 260 Grad Celsius. Der hochgebündelte und polarisierte Röntgenstrahl trifft von rechts unten auf die Probe. Die Spitze des mit 30 Elementen bestückten EXAFS-Detektors ragt aus dem linken Rand. (Bild: Johannes Messinger / MPI für Bioanorganische Chemie)

Die künstliche Photosynthese könnte den Energieträger der Zukunft liefern - Wasserstoff. Doch dazu müssen Forscher vollständig verstehen, wie Pflanzen und photosynthetische Mikroorganismen Wasser mit der Energie des Sonnenlichtes spalten. Nur dann könnten sie diesen Prozess eines Tages nachahmen. Johannes Messinger, Privatdozent und Gruppenleiter am Mülheimer Max-Planck-Institut hat nun gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Athina Zouni an der TU Berlin, der Arbeitsgruppe von Wolfram Saenger an FU Berlin und der Arbeitsgruppe von Vittal K. Yachandra des Lawrence Berkeley National Laboratory einen wichtigen Beitrag dazu geleistet: Die Forscher haben die genaue Struktur des manganhaltigen Teils des Clusters bestimmt, an dem Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird - dem entscheidenden Schritt der Photosynthese, der sich technisch bislang nicht effizient imitieren lässt.

In dem vollständigen Cluster sind vier Mangan-, ein Kalzium- und mindestens fünf Sauerstoff-Atome miteinander verknüpft. „Das Geheimnis steckt in ihrer geometrischen Anordnung - dafür wurden bislang mindestens 18 Modelle allein für die Anordnung der Mangan- und Sauerstoffatome diskutiert“, sagt. Den Spekulationen über die richtige geometrische Anordnung haben die Wissenschaftler mit ihrer experimentellen und theoretischen Arbeit nun erst einmal ein Ende gesetzt. Demnach baut sich der Cluster aus drei miteinander verbundenen Rauten auf. Zwei der Rauten aus Mangan- und Sauerstoffatomen teilen sich eine Kante, so dass sowohl ein Mangan- als auch ein Sauerstoffatom jeweils drei Bindungspartner haben. Ein weiteres Manganatom ist sogar von vier brückenden Sauerstoffatomen umgeben, da an ihm die dritte Raute hängt. „Wir haben auch die Abstände zwischen den einzelnen Manganatomen bestimmt“, sagt Johannes Messinger: Zuvor wussten die Wissenschaftler zwar, dass die Manganatome nicht alle denselben Abstand zueinander haben. Das internationale Forscherteam hat jetzt aber herausgefunden, zwischen welchen Mangan-Atome der Abstand kurz und zwischen welchen er lang ist.

Diese Erkenntnisse hat die internationale Forschergruppe sowohl aus experimentellen Untersuchungen - insbesondere mit EXAFS-Messungen - als auch aus theoretischen Betrachtungen abgeleitet. Am Computer haben die Forscher alle theoretisch möglichen Anordnungen der Atome mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Mit Erfolg: „Am Ende blieb nur eine Anordnung für die vier Manganatome mit den verbrückenden Sauerstoffatomen übrig“, sagt Messinger. „Damit sind wir einen entscheidenden Schritt weiter.“ Jetzt bleiben nur noch zwei Details offen: Die neuen Befunde lassen drei Möglichkeiten zu, wie der Cluster im Protein des Photosystem II orientiert ist, woraus sich für das Kalzium vier mögliche Positionen ergeben.

Abb. 2: Atomanordnung im Herz des Photosystem II: Zu dem Cluster, an dem Wasser gespalten wird, verbinden sich vier Mangan-, fünf Sauerstoff- und ein Kalziumatom. Letzteres konnten die Forscher um Johannes Messinger noch nicht eindeutig lokalisieren, weshalb es in der Abbildung nicht dargestellt ist. (Bild: Johannes Messinger/ MPI für Bioanorganische Chemie)

Für ihre mehrere Jahre dauernde Untersuchungen haben die Wissenschaftler in der internationalen Kooperation die EXAFS-Messmethode (Extended X-ray Absorption Fine Structure) am Synchrotron im amerikanischen Stanford (SSRL) weiterentwickelt, die Art und Entfernung benachbarter Atome exakt bestimmt. So erhielten die Forscher einen Einblick, der den Kristallographen verwehrt blieb. Denn als diese früher versuchten, den Bauplan des Mangan-Clusters mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse zu enthüllen, zerstörten die notwendigen hohen Strahlendosen die Struktur des Clusters [Yano et.al. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 102, 12047 (2005)]. Um den Cluster diesmal davor zu bewahren, nutzten die Wissenschaftler die niedrigen Strahlendosen der EXAFS-Methode und tauschten bei ihren Messungen im Synchrotronstrahl die Kristalle nach kurzen Messzeiten immer wieder aus, sodass über die Jahre insgesamt mehr als 100 der in Berlin mühsam erzeugten Photosystem II Einkristalle vermessen wurden.

„Wir haben nun eine strukturelle Grundlage, um die verschiedenen Reaktionsschritte des Prozesses zu verstehen, mit dem die Natur mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser spaltet“, sagt Messinger. „Ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung künstlicher Katalysatoren zur regenerativen Wasserstoffgewinnung.“

Pflanzen wandeln bei der Photosynthese mit Hilfe des Sonnelichts Kohlendioxid und Wasser in Zucker und Sauerstoff um. Der nun beschriebene Komplex ist dafür zuständig, das Wasser zu spalten. Dabei wird Sauerstoff frei. Damit treibt der nun genau beschriebene Komplex eine der wichtigsten Reaktionen der Biologie.

Vielleicht ließe sich das neue Wissen auch dazu nutzen, um Wasser künstlich in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Auf diese Weise, so hoffen die Forscher, eröffne sich ein neuer Weg zur Herstellung von Wasserstoff - etwa zur Nutzung als Brennstoff für Autos.

Bislang sind für die Herstellung von Wasserstoff große Mengen fossiler Brennstoffe wie Erdgas erforderlich. Dabei bildet sich umweltbelastendes Kohlendioxid. Ließe sich die photosynthetische Spaltung künstlich nachahmen, stünde ein erneurbarer, kohlendioxidfreier Energieträger zur Verfügung.

Quelle: MPG/[MAY] und dpa

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Junko Yano et al., Where Water Is Oxidized to Dioxygen: Structure of the Photosynthetic Mn4Ca Cluster, Science 314, 821 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1128186

• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de

• Max-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie:
  http://www.mpibac.mpg.de