Basistechnologien-Forschertandem: Nutzung von Sonnenenergie für die Bioelektrokatalyse – Photobiohybride Elektroden für die lichtgetriebene Wertstoffsynthese (Phase II, TP B)

Das wesentliche Ziel des Tandemvorhabens sind lichtaktivierbare Elektrodenaufbauten für die effektive Energieumwandlung. Im Rahmen der geplanten Verlängerung des Tandemprojektes sollen sowohl Arbeiten zur Erhöhung der Effektivität der Energiewandlung von Photobioelektroden durchgeführt werden als auch neue Kopplungen von Photosystem I mit enzymatischen Umsatzreaktionen. Dadurch soll das finale Ziel, nämlich die Nutzung der Solarenergie für die Photostromgenerierung in Kombination mit der Produktion von Wertstoffen erreicht werden und auf eine solide Basis gestellt werden.
Das Teilprojekt II wird sich mit unterschiedlichen Proteinkonstrukten und ihrer Charakterisierung für die biohybride Anwendung beschäftigen. Eine Bedingung zur Verbesserung der Effektivität von Photobioelektroden ist die Herstellung von hochreinem, voll aktivem Photosystem I Komplexen (PSI). Hierfür verwenden wir aufgelöste PSI-Kristalle, die die reinste Form des Proteins darstellen. Ein alternativer Weg zur Verbesserung der Effektivität von Photobioelektroden ist die Herstellung von anderen photoaktiven Protein-Komplexen wie z.B. die Reaktionszentren der grünen Schwefelbakterien. Geplant ist die Anzucht bis zur Herstellung eines homogenen, vollaktiven Proteins einschließlich biochemischer, biophysikalischer und struktureller Charakterisierung. Des Weiteren ist die Etablierung der Synthese und Reinigung von ausgewählten Redoxproteinen (z.B. Cytochrome) mit unterschiedlichen Redoxpotentialen, die Interaktion mit PSI und Modifikationen am Protein geplant. Der Schwerpunkt dieses Teilprojektes liegt in der Herstellung von funktionsfähigen Fusionsproteinen z.B. der Formiatdehydrogenase (FDH) mit PSI. Voraussetzung ist die Durchführung von gezielten Mutationen am PSI bzw. an der FDH. Des Weiteren sollen Konstrukte von PSI-Untereinheiten mit Ferredoxin oder anderen Redoxproteinen (z.B. Cytochrom P450) hergestellt und deren Produktbildung nachgewiesen werden. Ziel ist es letztendlich, eine erfolgreiche Übertragung eines funktionellen aktiven PSI-Enzymsystems auf eine 3D-Elektrodenstruktur zu etablieren.

Projektleitung
Zouni, Athina PD Dr. (Details) (Honorar- und außerplanm. Profess. / Privatdoz. / Lehrbeauftragte)

Beteiligte externe Organisationen

Mittelgeber
BMBF

Laufzeit
Projektstart: 02/2018
Projektende: 01/2021

Forschungsbereiche
Biochemie und Biophysik der Pflanzen, Biophysik, Grundlagen der Biologie und Medizin, Lebenswissenschaften, Molekülchemie, Naturwissenschaften, Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen - Spektroskopie, Kinetik, Physikalische und Theoretische Chemie, Strukturbiologie

Forschungsfelder
Erneuerbare Energien, Membran

Publikationen
Kölsch A, Hejazi M, Stieger KR, Feifel SC, Kern JF, Müh F, Lisdat F, Lokstein H, Zouni A. Insights into the binding behavior of native and non-native cytochromes to Photosystem I from Thermosynechococcus elongates. J Biol Chem. 2018 Jun 8;293(23):9090-9100. doi: 10.1074/jbc.RA117.000953. Epub 2018 Apr 25.

Feifel SC, Stieger KR, Hejazi M, Wang X, Ilbert M, Zouni A, Lojou E, Lisat F. Dihemic c 4 -type cytochrome acting as a surrogate electron conduit: Artificially interconnecting a photosystem I supercomplex with electrodes. Electrochemistry Communications 91, June 2018 Pages 49-53. DOI: 10.1016/j.elecom.2018.05.006
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138824811830105X

Riedel M, Wersig J, Ruff A, Schuhmann W, Zouni A, Lisdat F. A Z-Scheme-Inspired Photobioelectrochemical H2 O/O2 Cell with a 1 V Open-Circuit Voltage Combining Photosystem II and PbS Quantum Dots. Angew Chem Int Ed Engl. 2019 Jan 14;58(3):801-805. doi: 10.1002/anie.201811172. Epub 2018 Dec 13.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201811172

Stieger K, Feifel SC, Lokstein H, Hejazi M, Zouni A, Lisdat. Biohybride Architekturen für eine effiziente Umwandlung von Licht in elektrische Energie durch Integration von Photosystem I in skalierbare mesoporöse 3D Elektroden. Wiss. Beitr. TH Wildau 22: 17-24. Mar 2018.

Kern, J.; Müh, F.; Zouni, A., Structural studies on tetrapyrrole containing proteins enabled by femtosecond X-ray pulses. Metabolism, Structure and Function of Plant Tetrapyrroles: Control Mechanisms of Chlorophyll Biosynthesis and Analysis of Chlorophyll-Binding Proteins 2019, 33.
https://bit.ly/2PyaVSz

Ciornii D, Kölsch A, Zouni A, Lisdat F. Exploiting new ways for a more efficient orientation and wiring of PSI to electrodes: A fullerene C70 approach. Electrochimica Acta. Volume 299, 10 March 2019, Pages 531-539.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.01.032

Zuletzt aktualisiert 2020-25-11 um 10:49

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