Mehr Probleme bereitet die künstliche Fotosynthese. Genauer gesagt, das Fotosystem II (PS II), das die Forscher von SOLAR-H nutzen oder nachahmen wollen. Den Prozess, der in ihm abläuft, bezeichnen Chemiker als Wasseroxidation. Doch Wasser ist eine extrem stabile Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Nur sehr ungern lässt es sich in seine Bestandteile Sauerstoff, Protonen und Elektronen zerlegen.
Der Natur hilft ein Trick, um die Bindungspartner zu trennen: „Mit Lichtenergie entzieht das PS II zunächst einem manganhaltigen Metallcluster vier Elektronen, bevor die Oxidation von zwei Wassermolekülen in einem schnellen Schritt abläuft“, sagt Johannes Messinger, der das Fotosystem II am Mülheimer Institut untersucht.
Doch die gekonnte Aktion des PS II hat eine Nebenwirkung: Es entstehen auch aggressive Substanzen, welche die Proteine im PS II angreifen. Im vollen Sonnenlicht hält ein PS IIKomplex daher nur etwa eine halbe Stunde durch und muss dann repariert und teilweise ersetzt werden. „Eine Verbindung, die Wasser industriell spalten soll, muss stabiler sein“, sagt Messinger. Also versucht er dem PS II die Geheimnisse seiner Arbeit zu entlocken – damit Chemiker es einmal in einer stabileren Variante imitieren können.
Ganz ähnlich, wie seine Kollegen bei den Hydrogenasen vorgehen. Und genauso wie sie interessiert sich auch Johannes Messinger vor allem für die Metallatome, die im Zentrum des Fotosystems II sitzen. Hier sind es vier Manganionen und ein Kalziumion, die die Wasserspaltung erst ermöglichen. „Wir werden in Kürze veröffentlichen, wie sie angeordnet und miteinander verknüpft sind“, sagt Messinger.
So werden er und seine Kollegen aus Berlin und Berkeley vermutlich die Spekulationen weitgehend beenden, wie es im Herzen des PS II wirklich aussieht. Doch damit haben die Wissenschaftler noch nicht verstanden, wie das Enzym Wasser spaltet: „So wissen wir noch nicht, an welcher Stelle des Komplexes sich das Wasser während der Reaktion anlagert“, sagt Messinger. Denn die Wassermoleküle fallen schlicht durch die Raster vieler Untersuchungsmethoden, über die Wissenschaftler heute verfügen.
„Das kommt daher, dass Wasser sowohl Substrat als auch Lösungsmittel ist, wenn wir die Wasseroxidation untersuchen.“ Die reaktiven Wassermoleküle im Reaktionszentrum des wasserumspülten PS II aufzuspüren ist also so, als suche man im Heuhaufen nicht die Nadel, sondern einen bestimmten Grashalm. Immerhin, die Forscher tasten sich langsam voran: „In dem Komplex sind die beiden Wassermoleküle auf unterschiedliche Art gebunden, kurz bevor sie gespalten werden“, sagt der Max-Planck-Forscher.
Stand: 18.08.2006
