UNISYSCAT: KATALYSATOR EINER GRÜNEN WELT
Die geheimnisvolle Welt der Hydrogenasen: Mehr über das Enzym, das 3D-Künstler Robin Lochmann über dem Tempelhofer Feld inszeniert hat, erzählen Forschende von UniSysCat im unten verlinkten Interview.
Moderne Chemie inspiriert von der Natur
Schon lange arbeiten Forschende daran, chemische Prozesse umweltfreundlicher zu gestalten. Für die Transformation hin zu einer nachhaltigeren Gesellschaft haben Innovationen im Feld der Chemie besonders viel Bedeutung, kommen chemische Produkte doch überall in unserem Leben vor.
Eine Schlüsseltechnologie der Chemie ist die Katalyse: Dabei hilft eine Substanz, der sogenannte Katalysator, eine chemische Reaktion zu beschleunigen, ohne selbst verbraucht zu werden. Spannend: Rund 90 Prozent aller Produkte, die wir täglich nutzen, werden mit Hilfe katalytischer Verfahren hergestellt.
Natürliche Katalyse besser verstehen
Der Exzellenzcluster UniSysCat (Unifying Systems in Catalysis) beschleunigt auch die Entwicklung nachhaltiger chemischer Prozesse. Hier arbeiten Forschende aus Biologie, Chemie und Physik zusammen, um Enzyme – die natürlichen Katalysatoren in unseren Zellen – besser zu verstehen und deren erfolgreiche Strategien im Labor weiterzuentwickeln. Enzyme sind oft besser als künstliche Katalysatoren darin, chemische Reaktionen effizient und selektiv zu beschleunigen. UniSysCat möchte diese natürlichen Prozesse erforschen und für eine grüne Chemie der Zukunft einsetzen, die systemisch, nachhaltig und ressourcenschonend ist.
Transformationen im offenen Wissenslabor gemeinsam gestalten – Zusammenarbeit mit der Industrie
Die Arbeit von UniSysCat kann helfen, große gesellschaftliche Herausforderungen zu meistern, wie etwa die nachhaltige Energiegewinnung, die Umwandlung von Rohstoffen und die Reduktion von Treibhausgasen. Dabei arbeitet der Exzellenzcluster eng mit der Industrie zusammen – damit die Forschungsergebnisse schnell in die Praxis kommen!
So entschlüsseln Forschende, wie gekoppelte Metalloenzyme funktionieren: Daten aus dem Labor werden am Computer in dreidimensionale Bilder übersetzt. © Klyne, Humphrey/UniSysCat
Die Umwandlung von CO2 zu Wertstoffen: Die Natur zeigt, wie
Man stelle sich vor, man könnte CO2 direkt aus der Luft ziehen, es umwandeln und daraus wertvolle Rohstoffe, wie beispielsweise (längerkettige) Kohlenwasserstoffe, gewinnen. Was für uns noch utopisch klingt, beherrschen metallhaltige Enzyme seit Millionen von Jahren: Mikroben wandeln CO2 in mehreren Schritten in Essigsäure um.
Die zentralen Schritte dieser Reaktion werden von einem Enzymkomplex katalysiert, der das CO2 zuerst zum giftigen Kohlenmonoxid umwandelt und im folgenden Schritt aktivierte Essigsäure bildet. Wenn wir verstehen, wie der Natur diese Umwandlung gelingt, könnten wir sie weiter optimieren, unsere Energiesysteme klimafreundlicher machen und die Energiewende beschleunigen.
Atomen über die Schulter schauen
Doch selbst die schärfsten Mikroskope stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, diesen Prozess in seiner vollen Komplexität zu erfassen. Deshalb setzen die Forschenden bei UniSysCat auf hochentwickelte Methoden, die es ihnen ermöglichen, den Molekülen bei ihren Reaktionen buchstäblich über die Schulter zu schauen. Sie kombinieren Experimente und Berechnungen am Computer: So lassen sich aus Daten aus dem Röntgenlabor dreidimensionale Bilder der Moleküle erstellen. Ihre Forschung zielt darauf ab, die ablaufenden Mechanismen bis ins Detail zu verstehen – eine entscheidende Voraussetzung dafür, diesen natürlichen Prozess eines Tages vielleicht sogar künstlich nachahmen zu können.
Ein hierarchisch aufgebautes, poröses COF für die Immobilisierung/Kopplung von Enzymen. © Thomas/UniSysCat, Wernerwerke
Innovative Materialien aus dem Chemiebaukasten
Forschende von UniSysCat entwickeln im Labor neuartige Materialien, deren Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung, wie die Katalyse oder Energiespeicherung maßgeschneidert werden können.
Den Aufbau dieser sogenannten kovalent organische Gerüstmaterialien (COFs) kann man sich vorstellen wie Klettergerüste auf dem Spielplatz nur eben im Miniaturformat, da die Streben und Verbindungsstücke aus fest aneinandergebundenen chemischen Molekülen bestehen.
Zwischen den stabilen Gerüstteilen ist leerer Raum, in dem man klettern kann – oder, im Fall der COFs, sich Moleküle frei bewegen können.
Vielseitige COFs: Energiespeicher, Klimaretter und Katalysator in einem
Die Zwischenräume von COFs können große Mengen an Gasmolekülen, wie zum Beispiel Wasserstoff aufnehmen und so als Energiespeicher dienen. Andere COFs sollen Kohlendioxid aus der Atmosphäre herausfiltern und damit helfen, den Klimawandel aufzuhalten. Auch für katalytische Reaktionen sind COFs spannende Materialien, da sie mit vielen unterschiedlichen katalytisch aktiven Zentren ausgestattet werden können und so Reaktionspartner in den Zwischenräumen miteinander zur Reaktion bringen können.
UniSysCat hat die Vision, diese synthetischen Materialien mit biologischen Katalysatoren zu koppeln. Im Innern des COFs werden unterschiedliche Enzyme „hinter Gittern“ eingesperrt und dann so miteinander verbunden, dass Designer-Katalysatoren mit neuartigen Eigenschaften entstehen.
Simulation der Wechselwirkung eines Hydrogenase-Moleküls mit einer biokompatiblen Oberfläche für elektrochemische und spektroskopische Untersuchungen © Mroginski / UniSysCat
Die Forschung der Zukunft
Gesichtserkennung, Sprachsteuerung, Textübersetzung – Algorithmen und künstliche Intelligenz unterstützen unser Leben jeden Tag. Auch bei UniSysCat spielt die computergestützte Forschung eine wichtige Rolle: Forschende modellieren am Computer die Katalysatoren, die im Labor untersucht werden. Anhand von Berechnungen machen sie einzelne Atome sichtbar, erstellen sogar Filme von chemischen Reaktionen und liefern so Erkenntnisse, die für "echte" Experimente unzugänglich sind.
Synergie von Laborarbeit und Computerforschung
Auch langwierige Prozesse lassen sich durch Vorhersagen am Computer beschleunigen. Zum Beispiel können Forschende berechnen, wie lange Katalysatoren später in einer Chemiefabrik einsatzfähig sein werden. Und auch bei der aufwändigen Suche nach neuen Katalysatoren helfen Computersimulationen.
Rasant steuern die Naturwissenschaften so in die Zukunft: Forschung wird super-effizient und erkenntnisreich durch die Synergie von Laborarbeit und Computerforschung.