Wasserstoff hat als Rohstoff eine immense Bedeutung, da er neben seiner Rolle als Energiespeicher auch als Grundstoff in verschiedenen Industriezweigen, wie der chemischen Industrie und der Stahlherstellung, eingesetzt werden kann [1]. Allerdings stammen aktuell große Teile des hergestellten Wasserstoffs noch aus der Aufspaltung von fossilen Rohstoffen, was bedeutet, dass sich noch nicht von einer nachhaltigen Wasserstoffproduktion sprechen lässt. Bei den derzeit verwendeten Prozessen wird nämlich Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Es existieren verschiedene Ansätze, die Wasserstoffproduktion CO2-neutral zu gestalten. Eine Möglichkeit wäre beispielsweise die elektrische Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse). Dieser Prozess erzeugt den sogenannten grünen Wasserstoff, sofern der Strom dafür aus erneuerbaren Quellen, wie Windkraft oder Solarenergie, stammt.
Fokus Forschung: Entwicklung einer Methode für die Basenmodifikation in Cereibacter sphaeroides mit Cas9
Fokus Forschung: Entwicklung einer Methode für die Basenmodifikation in Cereibacter sphaeroides mit Cas9
Forscher Nachwuchs | NWK 2024 | Anna Nauruschat forscht zu Bakterien für die Wasserstoffproduktion
Ein weiterer Ansatz ist die Erzeugung von biogenem, sogenannten brillantem Wasserstoff (Biowasserstoff). Dabei wird Wasserstoff unter Nutzung von Lichtenergie durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen erzeugt. Ein Vertreter, der zur Wasserstoffproduktion fähig ist, ist das Purpurbakterium Cereibacter sphaeroides. Bei Stickstoffmangel erzeugt es Wasserstoff als Nebenprodukt im Rahmen der Stickstofffixierung (Abb. 1).
Es existiert ein Substamm des Bakteriums, der auch bei Vorhandensein von Ammoniumionen Wasserstoff produziert. Vorhergehende Untersuchungen deuten darauf hin, dass dafür eine Punktmutation im Gen rpoN verantwortlich ist [2]. Das Gen codiert für den Transkriptionsfaktor Sigma54, welcher an der Regulation des Enzyms Nitrogenase indirekt beteiligt ist, indem er bei Stickstoffmangel die Transkription von Genen initiiert, welche für den Aufbau der Nitrogenase benötigt werden [2,3,4]. Ziel dieses Projekts ist es, den ursächlichen Zusammenhang zwischen der Mutation und der veränderten Wasserstoffproduktion zu nachzuweisen. Die Einführung der Mutation am rpoN-Gen in einen Bakterienstamm von C. sphaeroides und die anschließende Bestimmung der Wasserstoffproduktionsrate bei vorhandenen Ammoniumionen sollen Aufschluss über den ursächlichen Zusammenhang geben. Für die gezielte Einführung einer Mutation bieten sich Baseneditoren an, die DNA zielgenau editieren können.
Bei DNA-Baseneditoren handelt es sich um eine Weiterentwicklung des CRISPR/Cas9-Systems, mit dem mithilfe einer single guide RNA (sgRNA) zielgenau DNA geschnitten werden kann (Abb. 2) [5].
Dafür werden zunächst die verschiedenen Komponenten des Baseneditorsystems, bestehend aus sgRNA und Cas9-Baseneditor, synthetisiert und anschließend in vitro an der isolierten DNA des rpoN-Gens aus C. sphaeroides getestet. Im Anschluss wird das zuvor evaluierte System mithilfe eines Expressionsplasmids in lebende C. sphaeroides-Kulturen eingeführt, wo die Mutation erzeugt werden soll. Anschließend erfolgt ein Vergleich bezüglich der Menge an produziertem Wasserstoff bei gleichzeitig verfügbaren Ammonium-Ionen zwischen Stämmen von C. sphaeroides mit und ohne Mutation.
Zur Person
Anna Nauruschat studiert seit 2020 an der Hochschule Mittweida, zunächst im Bachelorstudiengang Biotechnologie und anschließend im Masterstudiengang Genomische Biotechnologie. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich in der Forschungsgruppe von Prof. Röbbe Wünschiers mit der Entwicklung eines DNA-Baseneditors für C. sphaeroides.
Quellen
[1] Allelein, Hans-Josef et al. (2022): Energietechnik: Systeme zur konventionellen und erneuerbaren Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf, Richard Zahoransky (Hrsg.), Wiesbaden [Heidelberg]: Springer Vieweg.
[2] Wappler, Nadine und Wünschiers, Röbbe (2024): Analysis of a σ54 Transcription Factor L420P Mutation in Context of Increased Organic Nitrogen Tolerance of Photofermentative Hydrogen Production in Cereibacter sphaeroides Strain 2.4.1 Substrain H2, in: Synthetic Biology and Engineering, 2, 1, 10001.
[3] Kustu, S. et al. (1989): Expression of sigma 54 (ntrA)-dependent genes is probably united by a common mechanism, in: Microbiological Reviews, 53, 3, 367-376.
[4] Merrick, M. J. (1993): In a class of its own — the RNA polymerase sigma factor σ;54 (σN), in: Molecular Microbiology, 10, 5, 903-909.
[5] Qi, Lei S. et al. (2013): Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Control of Gene Expression, in: Cell, 152, 2, 1173-1183.
Text und Abbildungen: Anna Nauruschat
Foto: Johanna Wicht und Jacob Golde