Design von Elektronentransportketten zur Kopplung von Photosystem I und Reduktasen zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion und CO₂-Reduktion

• Antragsteller: Martin Winkler, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561053011

Dieses gemeinsame ISF-DFG-Forschungsprojekt zielt darauf ab, Effizienzengpässe bei der elektrochemischen Kopplung von Photosystem I (PSI) mit Redoxenzymen in biophotovoltaischen Systemen zur Wasserstoffproduktion und CO₂-Reduktion zu überwinden. Durch die Untersuchung einer PSI-basierten Photokathode zur lichtabhängigen Elektronenversorgung von [FeFe]-Hydrogenasen und Formiat-Dehydrogenasen als Biokatalysatoren wollen wir die Effizienz der lichtgetriebenen Elektronentransportkette (ETC) vom PSI zu den aktiven Zentren der Reduktasen dokumentieren und optimieren. Dabei werden wir native ETCs zweier ausgewählter Reduktasen nutzen und deren Elektronentransferdomänen mittels KI-gestützter Protein-Engineering-Methoden umgestalten, um präzise Bindungsstellen für die PSI-Untereinheit PsaC zu generieren. Als Zielenzyme nutzen wir DdHydAB von Desulfovibrio desulfuricans, das eine native Bakterioferredoxin-Domäne aufweist (F-Domäne) und eine Formiat Dehydrogenase aus Clostridium ljungdahlii (ClFdhF) zusammen mit ihrem nativen Komplexbildungspartner HycB. Die F-Domäne von DdHydAB und HycB verfügen beide über [4Fe4S]-Cluster die für den Elektronentransfer zwischen PSI und den aktiven Zentren der Zielenzyme sorgen. Die neu gestalteten Schnittstellen werden hinsichtlich ihrer Bindungsfähigkeit, der Selbstassemblierung der Anbindung zu PsaC, der Elektronentransfereffizienz und der vermittelten katalytischen Leistung in Lösung sowie eingebunden in photoelektrochemischen Systemen bewertet. Als Referenz für die Photowasserstoffproduktion wird die [FeFe]-Hydrogenase CrHydA1 der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii verwendet, deren Photowasserstoffbildungseffizienz unter Elektronenvermittlung aus dem Photosynthetischen Elektronentransport (PET) bekannt ist. Unsere Teams werden die Enzym-PSI-Docking-Designs iterativ optimieren. Mithilfe von in-silico-Modellen führen wir eine gezielte Mutagenese in den PSI-Andockbereichen von der F-Domäne von DdHydAB und in HycB durch, um Wildtyp- und redesignte Enzymvarianten hinsichtlich ihres Eisen-Schwefel-Clustergehalts, ihrer Enzymkinetik und der Beibehaltung enzymatischer Merkmale zu vergleichen. Diese Varianten werden anschließend auf ihre PSI-Kopplungseffizienz getestet, um die lichtgetriebene H₂- und CO₂-Reduktion zu dokumentieren und zu verbessern. Die abschließende Bewertung umfasst die photokatalytischen Aktivitäten (TOF, TON und Quantenausbeute) der PSI-gekoppelten Redoxenzymvarianten in Lösung und immobilisiert auf Elektrodenoberflächen, eingebettet in einer leitfähigen Redox-Hydrogelmatrix.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dror Noy, Ph.D.